基于可编程双分辨率材料挤出技术的分级木堆结构设计到制造框架

《Additive Manufacturing》：A Design-to-Manufacturing Framework for Graded Woodpile Structures via Programmable Dual-Resolution Material Extrusion

　　摘要：通过材料挤出技术制造分级堆叠的木质结构，需要同时控制开放的多孔网络、空间变化的纤维几何形状以及弯曲或非平面界面。尽管非平面切割、工艺级纤维调节以及自适应分辨率挤出技术都已取得进展，但它们之间仍缺乏紧密关联，难以将连续的结构设计转化为可用于堆叠式分级结构的可执行加工路径。本文提出了一种适用于具有非平面界面的分级木质结构的MEX兼容设计到制造框架。该框架以旋转矩形喷嘴作为挤出装置，通过结构域设计、可打印范围筛选以及校准后的逆向工艺映射，将基于几何场的体素单元转换为可行的可执行分段记录和G代码。旋转矩形喷嘴使得可使用的纤维宽度范围扩大了约2.5倍，并实现了高度与宽度的解耦；基于这一工艺基础，无需补偿层即可制造出连续梯度结构的木质晶格，最终构建高度误差仅为-2%，而自适应曲面切割则使斜坡界面轮廓的粗糙度降低了约80%。一个半月形的分级原型进一步表明，径向孔径编程与曲面边界切割可以集成在同一个开放式木质晶格中，为制造具有非平面界面的分级木质结构提供了可重复使用的方案。

引言：类似木质堆叠的结构是由交替方向的支柱或打印纤维堆叠而成的多孔纤维结构，相邻层之间通常采用错开或正交排列方式[1]、[2]。这种分层且相互交织的几何结构为通过孔隙排列、纤维间距以及局部纤维几何形状来控制载荷传递、传输路径以及波动或场相互作用提供了简单而灵活的基础。因此，基于挤出的增材制造技术在力学、组织工程、声学、光学、电子学、电磁屏蔽以及能量存储器件等领域都采用了类似的木质堆叠结构，这些结构可被描述为支架、晶格、微晶格、声子晶体或光子晶体、超材料、传感器或打印电极[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]。除了周期性堆叠之外，类似木质堆叠的结构越来越多地发展为功能分级的多孔结构，其中孔径、纤维尺寸或纤维分布会在空间上发生变化，以此来调整材料的机械性能、生物性能、传输性能或场相互作用特性[3]、[4]、[10]、[11]、[12]、[13]。对于许多聚合物和复合材料的材料挤出应用而言，这些分级多孔结构还必须结合非平面或弯曲界面，这样才能使结构能够适配三维边界，而非仅仅保持为平面周期性层的堆叠[14]、[15]。这些要求在聚合物和复合材料的材料挤出领域尤为重要，因为可制造的分级结构必须保持开放的多孔性、层间连续性，以及大约100微米级别的精细特征控制能力。因此，所面临的制造难题并不仅仅是打印单个曲面或单一直径可变的纤维，而是需要将包含曲面界面、分级孔隙场以及空间变化纤维特征的连续结构描述统一转换为可靠的MEX加工路径。

现有的研究为解决这一问题提供了重要但大多独立的解决方案。非平面切割、曲面层沉积以及可变层高规划等技术被开发出来，旨在减少阶梯状缺陷、提升表面精度，并使沉积路径更好地贴合三维边界[14]、[15]。然而，这些方法往往侧重于表面贴合度、支撑结构减少或密集部件的制造，而分级木质结构则需要将曲面界面规划与开放多孔网络以及空间编程控制的纤维或孔隙特征相协调。与此同时，材料挤出技术中的工艺级调节也表明，可以通过改变流速、扫描速度、喷嘴高度、沉积间距，或者有意识地在加工路径上实现欠挤出和过挤出，从而调整珠状或纤维的几何形状[13]、[16]、[17]。一种典型的方法是在加工路径上持续调整喷嘴高度和扫描速度等工艺参数，从而在单个打印路径内实现纤维尺寸的动态变化[13]。但由于在这种工艺级调节中纤维的高度和宽度是相互关联的，缩小沉积线条也会降低纤维高度，进而削弱垂直支撑力，影响层间堆叠的稳定性，因此需要额外的补偿策略。硬件方面的发展则为自适应分辨率提供了另一种解决方案，但不同的硬件设计会在截面可编程性、可实现的特征尺度、机械复杂度以及工艺兼容性之间带来不同的权衡。机械可重构或变形打印头能够在挤出过程中改变喷嘴尺寸、截面形状或内部流动几何结构，从而提升沉积纤维的几何自由度[18]、[19]。不过，这种更高的截面可编程性通常是通过可变形或主动驱动的机制实现的，现有的系统多是通过对毫米级通道或开口进行调节来工作的。这会给机械精度、响应校准以及控制复杂性带来限制；例如，一些已报道的系统可能需要非线性的气动驱动或对喷嘴开口的多执行器协同控制[18]、[19]。采用带有矩形开口喷嘴的旋转挤出方式则为材料挤出技术提供了一种自由度较低的替代方案，在这种方案中，沉积纤维的几何形状主要是通过喷嘴的朝向和矩形开口的几何形状来设定的，而非通过完整的截面重构来实现[20]、[21]。虽然这种方案的截面自由度低于完全可重构的打印头，但它能够实现亚毫米级的有效喷嘴尺寸以及百微米级别的特征控制，而且只需为挤出头增加一个旋转自由度。这种简化降低了机械和控制方面的负担，同时也与传统的材料挤出运动控制流程自然兼容。除了工艺级调节和硬件级自适应分辨率之外，材料挤出技术中的结构到加工路径的方法也越来越注重结合可变宽度或自适应珠状结构规划以及具有工艺感知能力的沉积控制，从而使纤维尺寸能够在加工路径生成过程中得到考虑，以便用于实现密集填充或多孔介质的制造[17]、[22]、[23]、[24]。在结构设计层面，相关的流程已经能够将空间变化的设计参数转化为可用于分级多孔结构和类似晶格结构的可打印加工路径，包括预设的密度、孔隙或支架梯度[12]、[13]、[25]、[26]。尽管取得了这些进展，现有的流程仍然主要是针对特定的梯度模式、填充方案或支架配置而设计的，并非作为一种通用的流程，用于处理具有非平面界面的分级木质堆叠结构。总体而言，非平面切割、工艺级纤维几何形状调节、自适应分辨率硬件以及结构到加工路径的流程，为分级木质结构的制造提供了必要的组成部分。然而，这些功能大多分散在不同的应用场景中，而具有非平面界面的分级木质结构则需要曲面界面规划、分级的纤维和孔隙场以及能够自适应调整分辨率的材料挤出加工流程，才能形成一套完整的集成流程。本文正是提出了一种适用于具有非平面界面的分级木质结构的MEX兼容设计到制造框架。该框架以旋转矩形喷嘴挤出技术为基础，结合了层内和层间分辨率的概念，同时还融入了用于制造曲面界面的非平面层规划技术[15]、[20]、[21]。与仅通过连续调整工艺参数来实现纤维尺寸调节的基准方法相比，我们的贡献在于将纤维宽度与高度的独立控制与用于堆叠式分级木质结构的结构级路径规划相结合[13]。在操作层面，这是通过将校准后的沉积控制、基于喷嘴朝向的分辨率调整以及由参数场驱动的路径规划整合到一个统一的流程中来实现的。这种整合使得空间编程控制的孔隙和纤维特征能够被转换为可在曲面结构上实现的可行挤出路径，从而为在聚合物和复合材料材料挤出系统中制造分级木质结构提供了可重复使用的方案（见图1）。

章节摘录：
DDR-3DP实验平台：该实验平台遵循带有矩形喷嘴的旋转挤出设计理念[20]、[21]，由一套定制的硬件系统构成（见图2 A、B）。其核心部件是一个定制的矩形喷嘴（由6061铝合金制成），开口尺寸为hn×wn = 0.3毫米×1.5毫米（短边为hn，长边为wn），该喷嘴能够实现围绕自身轴线的连续定向控制。在控制器中，这一喷嘴旋转自由度被定义为C轴，旋转角度用θ表示。

可打印范围扩展与高度宽度解耦：利用第2.2节中建立的校准模型和可打印范围，我们比较了旋转矩形喷嘴与开口面积相当的圆形喷嘴所能实现的wf–hf空间范围。在比较过程中，基底材料、打印条件以及校准流程均保持一致，唯一的区别在于喷嘴的几何形状以及是否存在旋转自由度：即将直径为0.7毫米的圆形喷嘴与相应的矩形喷嘴进行了对比。

结论：本文提出了一种适用于具有非平面界面的分级木质结构的MEX兼容设计到制造框架。与[13]中所采用的通过添加补偿层来应对梯度制造过程中层高变化的策略不同，本框架通过在固定的层厚增量下直接编程控制纤维宽度来实现梯度生成，因此无需补偿层即可实现标准的正交式木质堆叠结构。在纤维尺度上，该框架实现了纤维宽度与高度的独立控制。

CRediT作者贡献说明：
张婷：监督、资源提供、项目管理、资金筹措。
方永聪：写作——审稿与编辑、监督、资源提供、项目管理、资金筹措。
熊卓：监督、资源提供、项目管理、正式分析。
洪少通：软件、方法论、研究工作。
张振瑞：写作——审稿与编辑、写作——初稿撰写、可视化、验证、软件、项目管理、方法论、研究工作、正式分析。

利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本文研究工作的已知财务利益或个人关系。

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