3D打印通过对材料的逐层堆积完成三维模型的构建，其出众的制造能力使3D打印广泛地应用于各个学科领域。尽管3D打印技术及其应用取得了实质性的进步，目前主流的3D打印仍然采用沿单一方向堆积且无法独立控制各打印层的成型方法。这种静态逐层堆积的成型方式严重限制了3D打印构建复杂三维结构的能力。为了进一步释放3D打印的制造能力，促进3D打印技术的发展，有必要对3D打印成型方法进行研究，寻求对传统静态逐层堆积成型方法的突破。
针对上述科学问题，美国西北大学Cheng Sun教授课题组以光固化3D打印为研究对象，设计并实现了一种各打印层可自由变换的动态随形3D打印成型方法（图1）。通过开发动态随形切片算法（Dynamic conformal slicing，DCS），对模型进行随形离散化处理，获取各打印层在空间六自由度的几何属性。同时，采用高精度六自由度机械臂作为打印接收平台，为打印过程中各打印层的自由变换提供了运动能力。
图1 自由变换光固化3D打印系统。a)沿单一方向逐层堆积的传统成型方法。b)各打印层可实现六自由度变换的成型方法。c)自由变换光固化3D打印物理平台. d)选区放大图。
基于各打印层自由变换的打印方法，实现了血管支架的随形变换打印（图2）。首先对支架模型和血管模型分别进行离散化切片处理，然后将支架模型各离散层按照血管模型各切片层几何属性逐层进行随形变换，并进行自由变换光固化3D打印，最终实现由简单支架结构直接3D打印制造出符合复杂血管的血管支架。
图2 随形变换打印。a)血管模型，b)支架结构，c, d)动态随形切片处理. e)血管中心线提取。f, g)血管切片层轮廓信息，h)支架离散层，i)通过随形变换打印的血管支架。
进一步地，研究了利用自由变换3D打印方法对多材料柔性执行器的打印（图3）。通过改变打印过程中对不同材料的构建方向，减少材料切换次数，大幅提高多材料模型的光固化3D打印成型效率，并验证了柔性执行器的功能。
图3 多轴多材料3D打印柔性执行器。a)多材料执行器设计，b）剖面图，c) ~ e)多方向打印过程，f) ~ k)柔性执行器功能验证。
该研究成果以“Conformal Geometry and Multimaterial Additive Manufacturing through Freeform Transformation of Building Layers”为题，发表于Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.202005672)。论文第一作者为美国西北大学机械工程学院访问学者黄纪刚，美国西北大学机械工程学院Cheng Sun教授为通讯作者。
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202005672
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