用于非结构化表面填充的连续直写成型共形刀具路径

《Journal of Manufacturing Processes》：Conformal toolpath for continuous direct ink writing on unstructured surface filling

　　

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  统一的热方法框架实现了连续、等距的丝材沉积和无缝的晶格结构。
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  基于网格的切片避免了由直接平面投影引起的不连续性和填充失真。
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  工具位姿优化防止了在复杂基底上的碰撞，并确保路径可靠执行。

引言

制造复杂结构 [1]、减少材料浪费 [2] 和缩短生产周期 [3] 的能力推动了全球增材制造 (AM) 市场的持续增长 [4]。近年来，直写成型 (DIW) 作为一种通用的基于材料挤出的增材制造方法脱颖而出，由于其卓越的材料兼容性和工艺灵活性 [5], [6], [7], [8]，在许多前沿应用中展现出巨大潜力。同时，对功能组件的结构集成和性能提升的日益增长的需求，加速了共形增材制造的发展，它能够在弯曲的 3D 基底上直接制造紧凑的功能器件 [9], [10], [11], [12], [13]。然而，传统的平面分层范式存在固有的阶梯效应、机械各向异性以及对支撑结构的高度依赖 [14], [15], [16], [17]。因此，机器人辅助的多轴 AM 系统提供了一项可行的策略，以克服传统 3D 制造的约束，具有提高零件质量 [18], [19], [20] 和机械强度 [21], [22], [23] 的潜力。这些系统实现了无支撑制造 [24], [25]，扩展了构建体积 [26], [27]，并实现了协作打印 [23], [28]，从而为先进增材制造提供了扩展的潜力和创新方向 [14], [29]。

然而，它们也对模型切片和打印路径规划提出了许多严格要求 [16], [29]。模型切片策略可能包括平面层 [30], [31], [32], [33]、曲面层 [25], [34], [35], [36] 或混合层 [37], [38], [39], [40]，以及无层 [24], [41]。空间映射 [42], [43]、几何驱动 [20], [44], [45] 或基于场的方法 [25], [46] 通常用于工具路径规划。这些方法广泛应用于打印材料在沉积后保持结构稳定性的场景，如熔融沉积建模 (FDM) 和电弧增材制造 (WAAM) [14]。然而，当应用于 DIW 时，它们的有效性会受到损害，因为 DIW 墨水通常表现出比 FDM 更差 的形状保持性和共形稳定性 [47], [48], [49]。一些研究人员通过外部场辅助方法（如 UV 辅助直写成型 [50], [51]）改善了丝材稳定性，这可以有效缓解打印过程中的坍塌，并更好地实现曲面上的高保真图案化和结构形成 [52], [53]。但这同时也对打印材料、设备成本和操作复杂性提出了更高的要求。因此，通过利用 DIW 的高材料可定制性并结合共形制造技术，许多研究人员进行了广泛的研究，并为共形 DIW 制造提出了切片和路径规划算法。

Alkadi 等人 [43] 采用了基于基础层的曲面切片方法进行模型切片，然后使用基于投影的方法生成锯齿形填充路径，实现了通过直写成型 (DIW) 技术在曲面上制造零件。尽管如此，基于投影的路径生成可能会引入路径间距的轻微失真，并且可能无法完全符合复杂的 3D 表面几何形状 [54]。此外，传统的三轴打印平台通常将可打印曲面的倾斜范围限制在大约 0° 到 45° [43]。Qi 等人 [53] 通过使用六自由度机械臂，将这种方法扩展到非结构化表面的多材料制造，从而克服了上述角度限制。然而，目前的切片方案尚未对内部填充路径进行彻底研究，这可能会影响打印零件的结构完整性和机械性能 [55]。Fortunato 等人 [56] 在生物打印中优化了上下层的填充质量，同时保留中间层的传统三轴运动，在打印效率和填充质量之间实现了良好的平衡。即便如此，这种填充策略仍然依赖于投影算法来生成锯齿形填充路径，这可能会导致高表面曲率区域沉积不均匀。Chung 等人 [52] 提出了一种基于投影方法的路径规划算法，可以同步生成打印路径、点法线和机器人控制代码，实现了在复杂非平面 3D 基底上对液晶弹性体进行任意图案的共形打印，并将 4D 打印扩展到共形制造领域。然而，该方法中的路径设计仍然受到基于投影策略的局限性。Hu 等人 [57] 直接从点云数据生成打印轨迹，并通过约束优化优化路径间距，从而克服了传统基于投影方法的一些局限性，提高了填充密度，有利于生物打印应用中的愈合性能。尽管有这些优点，该方法涉及相对较高的计算成本。同时，点云表面拟合和约束优化过程中引入的误差可能会限制其在大规模曲面高精度轨迹规划中的适用性 [46]。

尽管近年来共形 DIW 取得了显著进展，但在非结构化、复杂、弯曲基底上通过机器人辅助多轴 DIW 制造高性能零件仍然是一个关键挑战 [53]。特别是，缺乏统一且鲁壮的共形切片和路径规划策略，阻碍了均匀丝材分布 [44]、连续工具路径生成 [58] 和灵活结构设计 [59] 的实现，而这些对于可靠的共形沉积至关重要。重要的是，平面到曲面投影引起的不均匀填充与工艺引起的丝材宽度变化在根本上是不同的。挤出压力、打印速度和喷嘴到基底距离等工艺参数主要调节单个沉积丝材的尺寸和稳定性，而工具路径生成策略决定了它们在曲面上的空间分布。因为等距平面路径在投影到曲率空间变化的曲面上后，通常无法保持其测地线间距，所以全局工艺参数调整无法消除潜在的几何失真。这一局限性推动了原生曲面等测地线工具路径生成策略的开发。为了解决这些差距，本研究提出了一种新型共形切片框架，专为机械臂辅助的非结构化曲面 DIW 定制。该框架包括基于热场方法 [60] 的等测地线路径填充方法，以满足均匀丝材分布的要求，以及具有参数化结构设计能力的全球连续表面填充方法，用于直写打印，以最小化喷嘴空行程和频繁打印中断对打印质量的影响，同时确保结构设计能力。该框架在丝材沉积稳定性、表面填充均匀性、路径完整性和打印连续性方面进行了定量验证。

章节摘要

所提出框架的概述

传统直写成型制造方法通常在沿 XY 方向的平面上进行，相应的切片方法也是基于商业切片软件 [61] 或参数驱动方法 [24], [41], [62], [63] 生成的。在本文中，我们提出了一种用于非结构化曲面上共形 DIW 的切片和工具路径规划方法。基于 6 自由度 (6-DOF) 机械臂，该方法使打印喷嘴能够沿

共形切片与制造区域提取

从手掌点云重建的基底几何形状开始（详见 S6），由局部法向偏移生成的切片表面，其分离遵循局部表面法向方向，而全局 Z 方向偏移在强弯曲区域产生了空间变化的层间距，详见 S6。对于局部凹几何形状，直接法向偏移会产生自相交网格区域。在应用提出的自相交后

投影引起填充不均匀性的几何起源

基于投影的填充与提出的原生曲面策略之间的主要区别在于路径生成过程中保留的量。投影保留了源平面域中的设计间距，但在路径映射到曲面后并不保留内在测地线间距。因此，局部表面几何形状的变化将名义上均匀的平面图案转化为目标表面上的空间非均匀分布。这

结论

本研究开发并定量验证了一种用于复杂非结构化表面上连续直写成型的统一共形工具路径框架。通过使用弯曲基底本身作为切片参考，通过局部法向偏移、自相交处理和制造区域提取生成了共形层。进一步引入了一种原生曲面热场填充策略，以生成近似等测地线轨迹，同时参数化表面

CRediT 作者贡献声明

Peng Chen: 写作 – 原稿、验证、软件、方法论、调查、形式分析、数据整理、概念化。Qinxiang Liu: 写作 – 原稿、验证、软件、调查、数据整理。Zilong Zhao: 写作 – 审查与编辑、验证、调查、形式分析。Jun Ren: 软件、资源、形式分析。Nana Zhang: 写作 – 审查与编辑、资源、形式分析。Yang Zhang: 写作 – 审查与编辑、验证、资源。Daming

写作过程中生成式 AI 和 AI 辅助技术的声明

在本工作的准备和修订过程中，作者使用了 ChatGPT 5.5 (OpenAI) 和 DeepSeekV4 flash 来协助语言润色、提高文本清晰度和组织手稿。使用该工具后，作者对所有生成或修订的内容进行了彻底审查和编辑，并对发表论文的内容承担全部责任。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了 国家重点研发计划 (2025YFE0215300) 的支持。

Peng Chen|Qinxiang Liu|Zilong Zhao|Jun Ren|Nana Zhang|Yang Zhang|Daming Fan|Yu Liu