3.2 多色、多材料、多尺度工艺结构3D 打印工艺规划与加工控制技术的实现

   综上所述, 传统的表面模型(STL 模型) 已经不再适用于多色、多材料、多尺度工艺结构的3D 打印, 必须采用诸如AMF 等新一代能表述实体内部材料、工艺结构特征信息的实体模型才可以满足其数据来源需要. 与此对应, 传统3D 打印技术的数据处理过程也将发生大幅度的更改, 以往STL 文件数据处理最核心的环节是离散分层切片, 其切片结果为连续小线段组成的一系列轮廓环来指示实体的边界, 该结构为连续小线段, 其缺点是损失了轮廓精度, 且无内部实体材料与工艺结构信息. 因此现代3D 打印数据处理流程中的2D 层面数据将逐步转换为采用样条曲线轮廓+ 光栅网格的混合数据结构. 构造样条曲线轮廓无损描述曲面三角形的离散化切片轮廓, 且各个曲线节点不仅存储几何信息,还存储包括色彩在内的表面工艺信息, 由此实现高精度、无信息损失的外轮廓数据表达; 采用光栅网格表达模型内部的材料及结构信息, 将基于区域(Region) 模型、基于空间域函数描述梯度材料以及微工艺结构信息离散化到光栅网格的每个节点上. 由此该层面数据可统一描述3D 打印所需的全部工艺信息, 包括多材料、多色、多尺度工艺结构。

   在控制技术方面, 多色、多材料、多尺度工艺结构3D 打印的主要转变是, 更倾向于采用阵列式喷头实现多种材料(或色彩) 的同步喷出, 以往主流的基于高能束(激光或电子束) 成形的3D 打印技术相对难以实现多材料、多色的高效率打印, 因此基于光栅扫描的控制方式将在未来3D 打印技术中占据更加重要的地位. 由于各种3D 打印技术基本原理均基于由面到体的增材制造方式, 其工艺处理流程虽然千差万别, 但内部的数据流程均可抽象为3D 模型到2D 层面数据, 再到1D(或光栅结构) 加工路径(指令) 的逐步降维的解构过程与反向的加工过程. 且各类3D 打印装备的驱动控制方法基本可抽象为3 种运动: 直角坐标系运动(含各种串并联机构运动与激光振镜扫描或二者的复合); 光栅扫描(含面曝光技术和阵列喷射成形); 以及多自由度关节臂运动或这3 种运动的复合. 基于上述抽象, 可以将多色、多材料、多尺度工艺结构3D 打印加工指令统一为下述3 种指令集合: (1) 运动指令, 描述材料输送系统或能量束的几何运动轨迹; (2) 光栅指令, 适应于阵列喷射成形、面曝光SLA 等小平面整体成形的加工工艺; (3) 针对多激光并行加工及各个辅助轴、材料配比系统及温控系统的需要, 引入多指令流的概念: 各个指令流可并发同步执行, 在同步、延迟、解除同步指令的控制下, 可统一描述预热、多组分材料制备与输送、多激光并行加工等复杂的加工细节. 基于上述二维层面数据结构与控制指令即可, 可有效地面对多色、多材料、多尺度工艺结构3D 打印技术的要求。

4 总结

   多色、多材料、多尺度工艺结构的3D 打印技术突破了传统制造技术在材料复杂性、层次复杂性和功能复杂性上的瓶颈, 在消费、生物医学和航天航空等众多领域均有着繁杂高层次需求, 是3D 打印技术未来发展的主要趋势. 以AMF 为代表的实体模型数据交换格式、基于阵列喷射成形技术的3D打印工艺是实现多色、多材料、多尺度工艺结构的3D 打印技术的重要手段. 在此基础上展开的实体模型建模技术、全工艺信息2D 模型切片算法、基于抽象指令控制工艺规划算法将是未来3D 打印技术的重要研究方向。