基于梯度信息的切片技术，实现功能性梯度增材制造的隐式刀具路径生成

《Engineering》：Implicit toolpath generation for functionally graded additive manufacturing via gradient-informed slicing

功能梯度增材制造中提出了一种基于OpenVCAD隐式表示的梯度导向切片方法，通过两种工具路径策略实现连续材料梯度生成：策略一通过传统切片结构分区混合实现，策略二直接填充梯度等高线区域。该方法有效解决了多材料挤出系统中非瞬时参数（如混合比例、工具头切换）的过渡控制难题，支持任意三维梯度设计的自动化G代码生成，适用于混合挤出、多喷头换料及温敏材料等场景，实验验证了其梯度连续性和工艺兼容性。

　　在现代制造技术的快速发展中，功能梯度材料（Functionally Graded Materials, FGMs）因其能够实现材料属性在空间上的连续变化而受到广泛关注。FGMs 在工程领域展现出独特的优势，如提升机械性能、优化重量分布以及引入新的功能特性。然而，传统多材料3D打印技术在实现FGMs时面临诸多挑战，主要体现在如何设计出符合材料连续性需求的打印路径，以及如何在实际打印过程中维持材料属性的平滑过渡。本文提出了一种创新的基于梯度信息的切片方法，旨在解决这些问题，从而实现高质量的FGMs制造。

传统上，多材料3D打印依赖于硬件配置，如多个喷嘴或切换机制，以实现不同材料之间的过渡。这些方法通常采用离散的材料切换策略，导致打印过程中出现明显的材料界面，从而影响最终产品的性能。此外，现有的切片算法和路径规划技术大多基于单一材料的假设，难以适应复杂材料梯度的需求。因此，如何在不依赖手动设计的前提下，实现材料属性在空间中的连续变化，成为当前研究的一个重要方向。

本文提出的方法突破了传统切片技术的限制，通过将材料梯度信息直接整合到路径生成过程中，实现了对复杂梯度的精确控制。该方法的核心在于利用OpenVCAD框架的隐式几何表示，将材料分布与几何形状统一为连续的空间场。基于这一表示，方法能够直接提取等值线（iso-contours），从而生成符合材料梯度变化的打印路径。通过这种整合方式，打印路径可以更准确地反映材料的分布特性，减少人为干预，提高制造效率和产品质量。

在路径生成策略上，本文提出了两种互补的方法。第一种策略保留了传统的切片结构，如墙壁、表层和填充区域，但将这些结构细分为不同的材料状态区域，并通过智能化的路径排序和必要的“清理塔”（purge towers）来适应材料比例的变化。这种方法适用于需要保持结构完整性但又需要材料梯度的场景。第二种策略则摒弃了传统的切片结构，直接根据材料等值线生成路径，使打印过程能够紧密贴合材料梯度的变化，从而实现更平滑的过渡，同时减少材料浪费和清理步骤。

这两种策略的有效性已在多种实验中得到验证。实验结果表明，通过自动化路径生成，可以在不同打印系统中实现高质量的FGMs制造。例如，在使用混合喷嘴的系统中，通过调整材料比例，可以实现复杂的多轴梯度；在使用多喷嘴切换机制的系统中，可以精确控制不同材料的切换时机，从而避免材料混合不均的问题；而在使用温度响应型泡沫材料的单喷嘴系统中，通过调整喷嘴温度，可以实现材料密度的连续变化。这些实验不仅展示了方法的通用性，也表明其在不同打印模态下的适应能力。

此外，本文还强调了路径生成过程中对非瞬时参数的考虑。非瞬时参数，如材料混合比例、喷嘴温度等，需要一定的时间进行调整和稳定，因此在路径规划时必须合理安排这些参数的变化，以避免打印缺陷。通过将这些参数的变化纳入路径生成的考虑范围，本文的方法能够确保在实际打印过程中，材料属性的变化既符合设计要求，又在物理上可实现。

在实验验证部分，本文展示了多种打印案例，包括复杂几何形状和多材料组合。这些案例不仅验证了方法在实际应用中的可行性，也进一步证明了其在提升材料梯度精度方面的优势。例如，通过“缝合”（zippering）技术，可以在材料界面处实现更均匀的过渡，从而减少应力集中，提高结构强度。这种技术的应用使得FGMs在保持复杂形状的同时，还能实现材料属性的平滑变化，为未来的工程应用提供了更多可能性。

值得注意的是，本文的方法不仅适用于材料挤出（Material Extrusion, MEX）技术，还具备一定的通用性，可以扩展到其他基于G代码的打印模态，如直接墨水书写（Direct Ink Write, DIW）和定向能量沉积（Directed Energy Deposition, DED）。这意味着，无论采用哪种打印技术，只要能够生成G代码，都可以利用本文的方法实现功能梯度制造。这种通用性极大地拓宽了FGMs的应用范围，使得更多的制造场景可以受益于该技术。

在材料和硬件选择方面，本文使用了两种基础材料（蓝色和黄色）进行实验，通过被动混合喷嘴实现了材料比例的精确控制。这种方法不仅降低了硬件成本，还提高了打印过程的可控性。此外，本文还提到，所有实验数据和材料信息都已上传至VCAD-Slicer的GitHub仓库，供研究者进一步验证和使用。这种开放的数据共享方式有助于推动该领域的研究进展，促进技术的普及和应用。

本文的研究成果对于推动多材料增材制造技术的发展具有重要意义。通过引入基于梯度信息的切片方法，研究人员和工程师可以在设计阶段就精确控制材料属性的变化，从而实现更复杂、更高效的FGMs制造。这种方法不仅减少了设计和制造过程中的手动干预，还提高了打印路径的准确性和适应性，为实现自动化、高精度的功能梯度制造提供了新的思路。

总之，本文提出了一种创新的切片方法，能够有效解决传统多材料3D打印技术在实现功能梯度材料时的局限性。通过将材料梯度信息直接整合到路径生成过程中，该方法不仅提升了打印路径的准确性，还降低了制造过程的复杂度和成本。实验结果表明，该方法在多种打印系统中均能实现高质量的FGMs制造，具有广泛的应用前景。未来的研究可以进一步探索该方法在更多打印模态中的适用性，以及如何优化路径生成策略以适应更复杂的材料梯度需求。