基于梯度多材料路径生成的直接墨水书写技术，采用连通的费马螺旋线

《Additive Manufacturing》：Towards Gradient Multimaterial Toolpath Generation for Direct Ink Writing with Connected Fermat Spirals

本文提出了一种结合Fermat空间填充算法和图像处理技术的多材料直接墨水写作工具路径生成方法，通过动态速度补偿和欧氏距离滤波优化打印质量，实现了复杂梯度结构的精准制造。

　　

M.R. Sage | R. Telles | H.R. Galvan | N.A. Dudukovic | A.E. Gongora | C.C. Cook | V.S. Vuppuluri | A.M. Golobic | B.L. Walton | D.T. Nguyen

劳伦斯利弗莫尔国家实验室，美国加利福尼亚州利弗莫尔市东大道7000号，邮编94550

摘要

本文描述了一种可复制的、参数化定义的算法，用于生成用于直接墨水打印的分级多材料工具路径。在现有费马空间填充算法的基础上，结合图像驱动处理技术，我们展示了多材料结构的制造过程。通过解析多色图像中的色调值，将材料成分编码到工具路径中。通过基于局部曲率和欧几里得距离过滤的动态速度补偿，减少了内部空洞，同时优化了打印质量。这项工作为设计具有局部可编程成分的复杂工具路径开辟了新的途径。

引言

在过去40年中，出现了多种增材制造（AM）技术，这些技术在结构和材料成分方面提供了前所未有的设计自由度。例如，AM技术在制造轻质且具有优异机械性能的复杂结构方面展现了独特的能力[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。AM技术还通过开发适用于多材料打印的平台[6]、[7]以及功能性材料的树脂配方[8]、[9]，扩展了制造的边界。特别是基于挤出的技术，包括熔融沉积建模（FDM）[10]、直接墨水打印（DIW）[11]、[12]，以及最近出现的利用支撑凝胶的混合DIW方法（也称为嵌入式3D打印EM3D）[13]、[14]、[15]，已被用于快速原型制作、组织工程和3D电子组件的制造与打印[16]、[17]、[18]、[19]。在这些基于挤出的技术中，DIW因其全方向能力和能够使用多种材料打印而受到重视[11]。DIW使用的原料（墨水）通常是高粘度的非牛顿流体或屈服应力流体，这允许在高剪切率下进行挤出，但通过快速弹性恢复实现形状保持。该技术可用于打印聚合物[20]、金属[11]、陶瓷[21]、石墨烯[22]、[23]、[24]、生物材料[25]、[26]等。

除了支持广泛的材料外，DIW特别适合多材料增材制造。通过将多个喷嘴[7]、[27]、主动混合[6]、[28]或自适应喷嘴[29]集成到系统中，DIW能够同时挤出和打印两种或更多种材料。这种能力使得通过实时调节挤出流速来混合材料从而制造成分梯度成为可能[29]、[30]、[31]。改变墨水沉积的横截面积和空间排列可以创建具有更高均匀性的复杂分级结构，这对于制造梯度折射率（GRIN）玻璃尤为重要[30]。

尽管DIW在多材料打印方面取得了近期进展，但使用DIW打印成分梯度的主要挑战之一是开发精确的树脂沉积工具路径。虽然简单的线性或径向对称梯度图案已经成功实现[30]，但打印更复杂和近乎任意梯度的方法仍然缺乏。大多数市售的工具路径生成程序产生的填充图案不适合DIW应用，这些应用通常需要具有最大填充密度的整体形状，同时尽量减少内部空洞。此外，这些商业工具路径生成器通常对填充路径缺乏全面控制，而这直接影响机械性能。因此，在DIW中采用方向平行和轮廓平行的工具路径以实现最大密度[32]。此外，商业切片器一次只能打印一种材料，而不能生成梯度多材料工具路径。Zhao等人[33]提出使用轮廓平行螺旋来生成连续的空间填充曲线，该方法涉及将区域分解为可以用单个阿基米德螺旋填充的子区域。这种方法很有用，因为阿基米德螺旋的起点和终点可以任意放置在子区域边界上，然后连接起来形成任何几何形状的连续曲线。总体而言，这种方法成功展示了创建接近100%填充率的工具路径的能力。然而，还需要进一步改进以将可编程的成分梯度编码到打印结构中。

在这项工作中，我们描述了如何扩展轮廓平行空间填充螺旋算法[33]，以实现图像驱动的梯度工具路径设计（图1(a)），该算法利用能够进行多材料打印的DIW系统（图1(b)）。为了证明这一点，我们首先介绍了图像分割算法，并展示了其输出如何用于生成工具路径。接下来，我们讨论了该算法在DIW系统上的实现。最后，我们阐明了速度补偿、欧几里得距离过滤器、线宽变化以及子区域数量对最终打印质量的影响。

图像分割

像便携式网络图形（PNG）或联合照片专家组（JPEG）这样的图像格式被广泛采用，易于生成和解释。它们还提供了颜色信息，正如将要展示的那样，这些信息可以用于确定成分和几何形状。因此，这些格式被选为生成成分子区域的理想输入。空间填充阿基米德螺旋[33]是工具路径计算的基础。

要创建工具路径，需要一个包含...

算法实现

为了验证工具路径的生成并探索可调参数（如欧几里得距离阈值和线距）的效果，使用定制的DIW 3D打印机打印了工具路径（见补充信息中的图S1）。驱动DIW打印机的控制器需要特定类型的Aerotech^TM格式G代码，其中包含特定的头部和运动控制信息。为了使算法设计的工具路径能够被Aerotech^TM控制器读取，需要一个自定义的后处理程序。

结论

在本文中，我们提出了一种扩展费马空间填充算法的方法，用于生成用于DIW的多材料工具路径，以实现成分梯度。这项工作展示了一个框架，可以生成能够打印具有复杂和任意梯度零件的工具路径。表示物体的图像根据细分数量进行转换和分割。然后计算每个细分的工具路径，并重新组合成一个连贯的工具路径。

未引用的参考文献

[34]

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

这项工作是在美国能源部的支持下，由劳伦斯利弗莫尔国家实验室根据合同DE-AC52-07NA27344、LDRD跟踪编号项目22-ERD-012和发布编号LLNL-JRNL-869050进行的。