基于斷層成像重建的立體3D打印技術(shù)

作者： 王忠睿、李滌塵

增材制造是成型復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的有效方法，但是增材制造的制造速度、表面質(zhì)量等問(wèn)題仍是制約其進(jìn)一步突破現(xiàn)有工藝的瓶頸技術(shù)。近日，加州大學(xué)伯克利分校和利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員提出通過(guò)斷層成像重建技術(shù)實(shí)現(xiàn)立體3D打印，從而大大提高了成型速率（如圖1所示）。與通常增材制造技術(shù)中“點(diǎn)-線-面-體”的制造思路不同，該技術(shù)工作原理與計(jì)算機(jī)斷層（CT）掃描的逆向操作類似：在CT成像技術(shù)中，X射線管在待測(cè)物體周圍旋轉(zhuǎn)，成型各截面圖像，再利用計(jì)算機(jī)重構(gòu)出被測(cè)物體3D結(jié)構(gòu)模型；而在基于斷層成像重建技術(shù)的立體3D打印中，研究人員從3D模型的不同角度計(jì)算物體的截面形狀，使用投影裝置在不同角度投射對(duì)應(yīng)的2D圖像，投射光斑在裝有光敏樹(shù)脂原料的圓柱形容器中成像，引發(fā)固化反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)零件成型。

圖1 基于斷層成像重建技術(shù)的立體3D打印 (A-B)成型原理(C)成型過(guò)程(D-G)成型零件

該成型方法中，容器中不同位置液態(tài)樹(shù)脂的固化與否取決于該位置的累計(jì)通光量，特定波長(zhǎng)的光將使光敏樹(shù)脂（此處為丙烯酸酯）產(chǎn)生自由基團(tuán)，而氧氣將會(huì)抑制自由基團(tuán)產(chǎn)生，直到該位置累計(jì)光通量達(dá)到一定限值，氧氣被消耗抑制到一定程度，樹(shù)脂才會(huì)引發(fā)交聯(lián)反應(yīng)。根據(jù)目標(biāo)成型零件的CAD模型、投影設(shè)備能量密度及材料的能量吸收率，研究人員反求出各角度截面對(duì)應(yīng)的2D輪廓及旋轉(zhuǎn)速率，通過(guò)投射光斑形狀變化與容器旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的配合控制，可以實(shí)現(xiàn)容器內(nèi)任意空間單元通光量的控制，當(dāng)目標(biāo)區(qū)域通光量達(dá)到上述限值后，即可引發(fā)光敏樹(shù)脂的固化反應(yīng)。為避免容器旋轉(zhuǎn)過(guò)程中液體流動(dòng)影響零件成型精度，研究人員選用的液體樹(shù)脂粘度高于90Pa·s；通過(guò)加入不遮擋固化波長(zhǎng)的染料，還可以實(shí)現(xiàn)樹(shù)脂顏色及透明度的調(diào)整。

圖2應(yīng)用該技術(shù)制造的各類零件(A-C)復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件(D-H)無(wú)支撐制造零件 (I-J)柔性材料零件(K-L)光滑表面零件【圖中未注線段均為2mm】

研究人員應(yīng)用該技術(shù)制造了多種零件（如圖2中所示），實(shí)現(xiàn)了最小特征尺寸0.3mm的成型，厘米級(jí)零件成型速率約為30-120秒，預(yù)測(cè)最大成型尺寸可達(dá)0.5m。該成型方法的成型速率不依賴于層數(shù)、截面面積與復(fù)雜程度，且高粘度樹(shù)脂可實(shí)現(xiàn)自支撐作用，因此具有成形速度快、無(wú)需支撐、可成型高粘度材料、可避免柔性材料成型中變形問(wèn)題等優(yōu)勢(shì)；通過(guò)在成型容器中預(yù)置其他材料，還可以實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料零件的一次成型（如圖3所示）。

圖3 通過(guò)預(yù)置其他材料一次成型復(fù)合材料零件（作者稱之為over-printing）

參考文獻(xiàn)
Kelly Brett E, Bhattacharya Indrasen, Heidari Hossein, Shusteff Maxim, Spadaccini Christopher M, Taylor. Hayden K.Volumetric additive manufacturing via tomographic reconstruction. Science. 2019 Jan.

供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室