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3D打印通過對材料的逐層堆積完成三維模型的構建，其出眾的制造能力使3D打印廣泛地應用于各個學科領域。盡管3D打印技術及其應用取得了實質性的進步，目前主流的3D打印仍然采用沿單一方向堆積且無法獨立控制各打印層的成型方法。這種靜態(tài)逐層堆積的成型方式嚴重限制了3D打印構建復雜三維結構的能力。為了進一步釋放3D打印的制造能力，促進3D打印技術的發(fā)展，有必要對3D打印成型方法進行研究，尋求對傳統(tǒng)靜態(tài)逐層堆積成型方法的突破。

針對上述科學問題，美國西北大學Cheng Sun教授課題組以光固化3D打印為研究對象，設計并實現(xiàn)了一種各打印層可自由變換的動態(tài)隨形3D打印成型方法（圖1）。通過開發(fā)動態(tài)隨形切片算法（Dynamic conformal slicing，DCS），對模型進行隨形離散化處理，獲取各打印層在空間六自由度的幾何屬性。同時，采用高精度六自由度機械臂作為打印接收平臺，為打印過程中各打印層的自由變換提供了運動能力。

圖1 自由變換光固化3D打印系統(tǒng)。a)沿單一方向逐層堆積的傳統(tǒng)成型方法。b)各打印層可實現(xiàn)六自由度變換的成型方法。c)自由變換光固化3D打印物理平臺. d)選區(qū)放大圖。

基于各打印層自由變換的打印方法，實現(xiàn)了血管支架的隨形變換打印（圖2）。首先對支架模型和血管模型分別進行離散化切片處理，然后將支架模型各離散層按照血管模型各切片層幾何屬性逐層進行隨形變換，并進行自由變換光固化3D打印，最終實現(xiàn)由簡單支架結構直接3D打印制造出符合復雜血管的血管支架。

圖2 隨形變換打印。a)血管模型，b)支架結構，c, d)動態(tài)隨形切片處理. e)血管中心線提取。f, g)血管切片層輪廓信息，h)支架離散層，i)通過隨形變換打印的血管支架。

進一步地，研究了利用自由變換3D打印方法對多材料柔性執(zhí)行器的打?。▓D3）。通過改變打印過程中對不同材料的構建方向，減少材料切換次數(shù)，大幅提高多材料模型的光固化3D打印成型效率，并驗證了柔性執(zhí)行器的功能。

圖3 多軸多材料3D打印柔性執(zhí)行器。a)多材料執(zhí)行器設計，b）剖面圖，c) ~ e)多方向打印過程，f) ~ k)柔性執(zhí)行器功能驗證。 

該研究成果以“Conformal Geometry and Multimaterial Additive Manufacturing through Freeform Transformation of Building Layers”為題，發(fā)表于Advanced Materials  (DOI: 10.1002/adma.202005672)。論文第一作者為美國西北大學機械工程學院訪問學者黃紀剛，美國西北大學機械工程學院Cheng Sun教授為通訊作者。

論文鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202005672