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摘要熔融电写作（MEW）在挤出式增材制造工艺中具有无与伦比的微米级纤维放置精度，然而其速度从根本上受到电场驱动拉伸过程所导致的喷射滞后或喷嘴运动与聚合物喷射着陆之间偏差的限制。维持路径保真度通常需要在工作速度接近临界平移速度时运行，以保持喷射近乎垂直，这虽然能保持精度，但限制
摘要
熔融电写作（MEW）在挤出式增材制造工艺中具有无与伦比的微米级纤维放置精度，然而其速度从根本上受到电场驱动拉伸过程所导致的喷射滞后或喷嘴运动与聚合物喷射着陆之间偏差的限制。维持路径保真度通常需要在工作速度接近临界平移速度时运行，以保持喷射近乎垂直，这虽然能保持精度，但限制了吞吐量。在此，我们提出了一种几何路径规划策略，以克服这一长期存在的速度-保真度权衡。受拖刀切割系统的启发——该系统通过补偿拖尾刀片的偏移来准确追踪锐利轮廓——我们引入了一种预测性几何码校正方法，以补偿MEW喷射滞后。该方法能够实现高速打印同时保持精确的纤维放置。利用该方法，我们展示了在蛇形和三角形几何结构中打印速度提高至多三倍，同时保持高保真度。尽管在高速锐角处仍存在一定的限制，这源于当前建模的局限性，例如缺乏加速度考量，但我们的结果表明，能够实现更快方向变化的硬件将缓解这一限制。总体而言，这种受拖刀启发的校正框架能够在高速MEW打印期间实现稳定的喷射行为并提高路径保真度，而在这些速度下否则会出现明显的由滞后引起的偏差。这提高了MEW的吞吐量，并支持在较高打印速度下制造常用的MEW微架构设计。重要的是，这种与控制器无关的策略在指令层面运行，因此有可能在不进行硬件修改的情况下集成到使用类似运动控制架构的增材制造平台中。
引言
打印精度是任何增材制造工艺的要求，对于通过熔融电写作（MEW）创建复杂支架尤为关键，因为其特征通常低于100 μm [1], [2]。为了生产这种微米级纤维，MEW作为一种非接触式挤出三维打印过程运行，其中将高电压施加到加热喷嘴，在打印头和收集板之间产生电场 [3]。该电场拉伸带电熔融聚合物并将其直径减小至喷嘴内径的数百倍，形成已知为聚合物喷射的微米级材料纤维。喷射随后由计算机控制的移动板收集，该板确保纤维有序逐层堆叠，由于喷嘴与沉积点之间的时间延迟，喷嘴与沉积点之间存在轻微的滞后距离，这通常导致设计与制造的支架架构之间出现不期望的偏差 [4], [5], [6], [7]。
通过保护恒定的聚合物流动以避免打印缺陷（如脉冲），同时保持聚合物喷射完全垂直以减少由滞后距离引起的路径偏差，MEW可以制造包含复杂特征的精确高质量支架。可以通过调整工艺参数来实现恒定流动，但在长时间打印期间，由于聚合物变化或其他因素（如大气变化或MEW打印机的构建质量）可能会出现流动波动（例如脉冲）。虽然保持喷射垂直确保特征准确生产，但存在喷射弯曲或鞭打的高风险 [8]。为确保聚合物喷射的稳定性并最小化打印缺陷，大多数设置传统上被调整为产生较小的滞后距离 [5], [9], [10]，打印速度略高于临界平移速度（CTS）（1.1x→1.5x）。虽然滞后距离提高了喷射稳定性，但它降低了打印精度，进而降低了支架保真度（相对于期望路径），导致锐角圆化或蛇形幅度减小 [5], [11], [12]。有一些技术利用这种滞后距离来产生期望的支架结构；然而，当几何形状和/或打印机改变时，这些支架无法重复生产 [13]。
为了减轻滞后距离对MEW支架打印保真度的影响，已提出各种方法。Hrynevich等人开发了一个模型，该模型在打印速度超过CTS时计算确定打印结构偏离设定设计的程度 [5]。进一步扩展这一概念，Cao等人通过考察收集器速度变化后滞后距离的变化，将模型完善用于直线和蛇形纤维打印，证明了滞后距离在新速度下稳定所需的稳定时间 [6]。他们还讨论了实时确定沉积位置的需要，以由于聚合物打印喷射稳定性变化进一步提高模型的精度。当聚合物喷射稳定时，滞后距离会在收集器加速、减速或改变方向时变化，即在拐角和边缘处；有趣的是，对于蛇形打印，可以使用低于CTS的收集器速度而不会发生鞭打或弯曲 [5], [6], [12], [14]。
已提出方法来减轻滞后距离的影响。Zou等人在拐角前的"缓冲区域"内纳入了收集器减速，以减少滞后距离并从而提高路径保真度 [15]。虽然该方法确实减少了滞后距离的影响，但它也在拐角处将纤维直径不期望地增加了约170%，与缓冲区域前的标称纤维直径相比。 Cao等人提出了一种通过离散化喷嘴路径为时间间隔位置来校正滞后距离的方法，这些位置随后被迭代处理，添加所需的（xy）位移向量以产生新的喷嘴路径 [6]。 （xy）位移或滞后偏移用于校正滞后距离（xy）的影响，从而产生更高保真度的支架 [6], [15]。然而，准确离散化路径需要实时相机反馈以确定真实的滞后距离 [6]。
随着对具有特定微架构结构的复杂3D MEW支架高打印保真度的需求增加 [16], [17], [18]。调谐纤维直径和架构特征已被提出作为有效调节打印结构机械行为的手段 [18], [19]。本研究引入了一种统一方法，通过调整几何码（G-code）来预先校正任意工具路径上的喷射滞后，以考虑不同速度比（SR）——即归一化到CTS的收集器速度——产生的滞后距离，同时保持基本恒定的纤维直径。通过这样做，该方法能够在不损害沉积精度的情况下实现显著更快的打印。
章节摘要
总体概念：拖刀路径规划以提高支架路径保真度
绝大多数3D打印机，包括MEW系统，使用G-code，这是一种人类可读的编程语言，用于指示喷嘴和/或收集器的运动和速度 [20]。我们的方法考虑打印头的完整空间和时间运动，并调整传输到MEW打印机的G-code。该方法的基础源自拖刀工具路径偏移。拖刀切割机是一种绘图仪，其中一个小刀或刀片被"拖"在
结论
本研究表明，软件驱动的几何补偿可以提高高打印速度下的路径保真度。除提高吞吐量外，所提框架的主要贡献是减少对精确CTS匹配的依赖。框架无需通过大量参数调优使CTS与期望打印速度对齐，而是能够基于吞吐量或纤维直径需求选择速度，同时补偿可预测的喷射滞后
MEW支架设计与制造
所有支架均由医用级PCL（Purasorb PC12，Corbion，荷兰）使用自制MEW系统制造（图S1）。PCL被广泛认为是MEW中的黄金标准聚合物，因其低熔点和非常有利流变行为 [38]。每个支架在相同的室温温度和湿度下打印，分别为24.5°C ± 1°C和45% ± 10%。单层支架打印在0.1 mm厚的玻璃板上，以避免多层
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在准备本工作期间，作者使用了Microsoft 365 Copilot以提高英语的清晰度、语法和整体质量。使用此工具后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对已发表文章的内容承担全部责任。
CRediT作者贡献声明
Christopher D. Lamb：写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿撰写，验证，软件，方法论，调查，形式化分析，概念化。 Adrian Keating：写作 – 审阅与编辑，监督，软件，调查，概念化。 Ievgenii Liashenko：写作 – 审阅与编辑，软件，方法论。 Elena M. De-Juan-Pardo：写作 – 审阅与编辑，监督，调查，资金获取，概念化。
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Elena M. De-Juan-Pardo报告了与CoraMetix Pty Ltd的关系，包括：董事会成员和股权或股票。Christopher D. Lamb报告了与CoraMetix Pty Ltd的关系，包括：雇佣和股权或股票。如有其他作者，他们声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系
致谢
作者感谢西澳大利亚大学电子显微镜、表征与分析中心（CMCA）的澳大利亚显微镜中心的设施以及科学和技术协助，该设施由大学、州和联邦政府资助。EMJP感谢矿产资源、de Canha家族以及通过William and Marlene Schrader Foundation提供的CDL的财政支持。所有作者还感谢Dalton实验室和Paul Dalton教授
Christopher D. Lamb|Ievgenii Liashenko|Adrian Keating|Elena M. De-Juan-Pardo
