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)量等問題仍是制約其進一步突破現(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家實驗室的研究人員提出通過斷層成像重建技術(shù)實現(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-線-面-體”的制造思路不同，該技術(shù)工作原理與計算機斷層（CT）掃描的逆向操作類似：在CT成像技術(shù)中，X射線管在待測物體周圍旋轉(zhuǎn)，成型各截面圖像，再利用計算機重構(gòu)出被測物體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模型的不同角度計算物體的截面形狀，使用投影裝置在不同角度投射對應(yīng)的2D圖像，投射光斑在裝有光敏樹脂原料的圓柱形容器中成像，引發(fā)固化反應(yīng)，實現(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)成型過程(D-G)成型零件

該成型方法中，容器中不同位置液態(tài)樹脂的固化與否取決于該位置的累計通光量，特定波長的光將使光敏樹脂（此處為丙烯酸酯）產(chǎn)生自由基團，而氧氣將會抑制自由基團產(chǎn)生，直到該位置累計光通量達(dá)到一定限值，氧氣被消耗抑制到一定程度，樹脂才會引發(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應(yīng)的2D輪廓及旋轉(zhuǎn)速率，通過投射光斑形狀變化與容器旋轉(zhuǎn)運動的配合控制，可以實現(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)光敏樹脂的固化反應(yīng)。為避免容器旋轉(zhuǎn)過程中液體流動影響零件成型精度，研究人員選用的液體樹脂粘度高于90Pa·s；通過加入不遮擋固化波長的染料，還可以實現(xiàn)樹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），實現(xiàn)了最小特征尺寸0.3mm的成型，厘米級零件成型速率約為30-120秒，預(yù)測最大成型尺寸可達(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，且高粘度樹脂可實現(xiàn)自支撐作用，因此具有成形速度快、無需支撐、可成型高粘度材料、可避免柔性材料成型中變形問題等優(yōu)勢；通過在成型容器中預(yù)置其他材料，還可以實現(xiàn)復(fù)合材料零件的一次成型（如圖3所示）。

圖3 通過預(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：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室