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3.2 多色、多材料、多尺度工藝結(jié)構(gòu)3D 打印工藝規(guī)劃與加工控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

   綜上所述, 傳統(tǒng)的表面模型(STL 模型) 已經(jīng)不再適用于多色、多材料、多尺度工藝結(jié)構(gòu)的3D 打印, 必須采用諸如AMF 等新一代能表述實(shí)體內(nèi)部材料、工藝結(jié)構(gòu)特征信息的實(shí)體模型才可以滿足其數(shù)據(jù)來源需要. 與此對(duì)應(yīng), 傳統(tǒng)3D 打印技術(shù)的數(shù)據(jù)處理過程也將發(fā)生大幅度的更改, 以往STL 文件數(shù)據(jù)處理最核心的環(huán)節(jié)是離散分層切片, 其切片結(jié)果為連續(xù)小線段組成的一系列輪廓環(huán)來指示實(shí)體的邊界, 該結(jié)構(gòu)為連續(xù)小線段, 其缺點(diǎn)是損失了輪廓精度, 且無內(nèi)部實(shí)體材料與工藝結(jié)構(gòu)信息. 因此現(xiàn)代3D 打印數(shù)據(jù)處理流程中的2D 層面數(shù)據(jù)將逐步轉(zhuǎn)換為采用樣條曲線輪廓+ 光柵網(wǎng)格的混合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu). 構(gòu)造樣條曲線輪廓無損描述曲面三角形的離散化切片輪廓, 且各個(gè)曲線節(jié)點(diǎn)不僅存儲(chǔ)幾何信息,還存儲(chǔ)包括色彩在內(nèi)的表面工藝信息, 由此實(shí)現(xiàn)高精度、無信息損失的外輪廓數(shù)據(jù)表達(dá); 采用光柵網(wǎng)格表達(dá)模型內(nèi)部的材料及結(jié)構(gòu)信息, 將基于區(qū)域(Region) 模型、基于空間域函數(shù)描述梯度材料以及微工藝結(jié)構(gòu)信息離散化到光柵網(wǎng)格的每個(gè)節(jié)點(diǎn)上. 由此該層面數(shù)據(jù)可統(tǒng)一描述3D 打印所需的全部工藝信息, 包括多材料、多色、多尺度工藝結(jié)構(gòu)。

   在控制技術(shù)方面, 多色、多材料、多尺度工藝結(jié)構(gòu)3D 打印的主要轉(zhuǎn)變是, 更傾向于采用陣列式噴頭實(shí)現(xiàn)多種材料(或色彩) 的同步噴出, 以往主流的基于高能束(激光或電子束) 成形的3D 打印技術(shù)相對(duì)難以實(shí)現(xiàn)多材料、多色的高效率打印, 因此基于光柵掃描的控制方式將在未來3D 打印技術(shù)中占據(jù)更加重要的地位. 由于各種3D 打印技術(shù)基本原理均基于由面到體的增材制造方式, 其工藝處理流程雖然千差萬別, 但內(nèi)部的數(shù)據(jù)流程均可抽象為3D 模型到2D 層面數(shù)據(jù), 再到1D(或光柵結(jié)構(gòu)) 加工路徑(指令) 的逐步降維的解構(gòu)過程與反向的加工過程. 且各類3D 打印裝備的驅(qū)動(dòng)控制方法基本可抽象為3 種運(yùn)動(dòng): 直角坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)(含各種串并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)與激光振鏡掃描或二者的復(fù)合); 光柵掃描(含面曝光技術(shù)和陣列噴射成形); 以及多自由度關(guān)節(jié)臂運(yùn)動(dòng)或這3 種運(yùn)動(dòng)的復(fù)合. 基于上述抽象, 可以將多色、多材料、多尺度工藝結(jié)構(gòu)3D 打印加工指令統(tǒng)一為下述3 種指令集合: (1) 運(yùn)動(dòng)指令, 描述材料輸送系統(tǒng)或能量束的幾何運(yùn)動(dòng)軌跡; (2) 光柵指令, 適應(yīng)于陣列噴射成形、面曝光SLA 等小平面整體成形的加工工藝; (3) 針對(duì)多激光并行加工及各個(gè)輔助軸、材料配比系統(tǒng)及溫控系統(tǒng)的需要, 引入多指令流的概念: 各個(gè)指令流可并發(fā)同步執(zhí)行, 在同步、延遲、解除同步指令的控制下, 可統(tǒng)一描述預(yù)熱、多組分材料制備與輸送、多激光并行加工等復(fù)雜的加工細(xì)節(jié). 基于上述二維層面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與控制指令即可, 可有效地面對(duì)多色、多材料、多尺度工藝結(jié)構(gòu)3D 打印技術(shù)的要求。

4 總結(jié)

   多色、多材料、多尺度工藝結(jié)構(gòu)的3D 打印技術(shù)突破了傳統(tǒng)制造技術(shù)在材料復(fù)雜性、層次復(fù)雜性和功能復(fù)雜性上的瓶頸, 在消費(fèi)、生物醫(yī)學(xué)和航天航空等眾多領(lǐng)域均有著繁雜高層次需求, 是3D 打印技術(shù)未來發(fā)展的主要趨勢(shì). 以AMF 為代表的實(shí)體模型數(shù)據(jù)交換格式、基于陣列噴射成形技術(shù)的3D打印工藝是實(shí)現(xiàn)多色、多材料、多尺度工藝結(jié)構(gòu)的3D 打印技術(shù)的重要手段. 在此基礎(chǔ)上展開的實(shí)體模型建模技術(shù)、全工藝信息2D 模型切片算法、基于抽象指令控制工藝規(guī)劃算法將是未來3D 打印技術(shù)的重要研究方向。