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3.2 多色、多材料、多尺度工藝結構3D 打印工藝規劃與加工控制技術的實現

   綜上所述, 傳統的表面模型(STL 模型) 已經不再適用于多色、多材料、多尺度工藝結構的3D 打印, 必須采用諸如AMF 等新一代能表述實體內部材料、工藝結構特征信息的實體模型才可以滿足其數據來源需要. 與此對應, 傳統3D 打印技術的數據處理過程也將發生大幅度的更改, 以往STL 文件數據處理最核心的環節是離散分層切片, 其切片結果為連續小線段組成的一系列輪廓環來指示實體的邊界, 該結構為連續小線段, 其缺點是損失了輪廓精度, 且無內部實體材料與工藝結構信息. 因此現代3D 打印數據處理流程中的2D 層面數據將逐步轉換為采用樣條曲線輪廓+ 光柵網格的混合數據結構. 構造樣條曲線輪廓無損描述曲面三角形的離散化切片輪廓, 且各個曲線節點不僅存儲幾何信息,還存儲包括色彩在內的表面工藝信息, 由此實現高精度、無信息損失的外輪廓數據表達; 采用光柵網格表達模型內部的材料及結構信息, 將基于區域(Region) 模型、基于空間域函數描述梯度材料以及微工藝結構信息離散化到光柵網格的每個節點上. 由此該層面數據可統一描述3D 打印所需的全部工藝信息, 包括多材料、多色、多尺度工藝結構。

   在控制技術方面, 多色、多材料、多尺度工藝結構3D 打印的主要轉變是, 更傾向于采用陣列式噴頭實現多種材料(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 打印技術相對難以實現多材料、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 打印技術中占據更加重要的地位. 由于各種3D 打印技術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, 但內部的數據流程均可抽象為3D 模型到2D 層面數據, 再到1D(或光柵結構) 加工路徑(指令) 的逐步降維的解構過程與反向的加工過程. 且各類3D 打印裝備的驅動控制方法基本可抽象為3 種運動: 直角坐標系運動(含各種串并聯機構運動與激光振鏡掃描或二者的復合); 光柵掃描(含面曝光技術和陣列噴射成形); 以及多自由度關節臂運動或這3 種運動的復合. 基于上述抽象, 可以將多色、多材料、多尺度工藝結構3D 打印加工指令統一為下述3 種指令集合: (1) 運動指令, 描述材料輸送系統或能量束的幾何運動軌跡; (2) 光柵指令, 適應于陣列噴射成形、面曝光SLA 等小平面整體成形的加工工藝; (3) 針對多激光并行加工及各個輔助軸、材料配比系統及溫控系統的需要, 引入多指令流的概念: 各個指令流可并發同步執行, 在同步、延遲、解除同步指令的控制下, 可統一描述預熱、多組分材料制備與輸送、多激光并行加工等復雜的加工細節. 基于上述二維層面數據結構與控制指令即可, 可有效地面對多色、多材料、多尺度工藝結構3D 打印技術的要求。

4 總結

   多色、多材料、多尺度工藝結構的3D 打印技術突破了傳統制造技術在材料復雜性、層次復雜性和功能復雜性上的瓶頸, 在消費、生物醫學和航天航空等眾多領域均有著繁雜高層次需求, 是3D 打印技術未來發展的主要趨勢. 以AMF 為代表的實體模型數據交換格式、基于陣列噴射成形技術的3D打印工藝是實現多色、多材料、多尺度工藝結構的3D 打印技術的重要手段. 在此基礎上展開的實體模型建模技術、全工藝信息2D 模型切片算法、基于抽象指令控制工藝規劃算法將是未來3D 打印技術的重要研究方向。