湯朋飛,趙先鋒,史紅艷,胡 波,丁井虎

(貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,貴州 貴陽(yáng) 550025)

1 問(wèn)題的提出

3D打印技術(shù)誕生于20世紀(jì)80年代,在某些場(chǎng)合也被稱(chēng)作分層制造技術(shù)或快速成型技術(shù)。由于3D打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜零件定制的特性,被廣泛應(yīng)用于電子[1]、能源設(shè)備[2]、醫(yī)藥[3]、生物技術(shù)[4]、光學(xué)[5]、建筑[6]和航空航天[7]等領(lǐng)域。目前主流的3D打印技術(shù)有光固化成型[8](Stereolithography, SLA)、數(shù)字光處理技術(shù)[9](Digital Light Processing, DLP)、熔融沉積成型[10](Fused Deposition Modelling, FDM)、選擇性激光燒結(jié)[11](Selective Laser Sintering, SLS)、激光直接沉積成形[12](Direct Laser Deposition, DLD)、電弧增材制造[13](Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM)以及金屬微滴噴射打印[14](droplet-based 3D Printing)等技術(shù)。SLA和DLP都是利用紫外光照射液態(tài)光敏樹(shù)脂發(fā)生聚合反應(yīng),來(lái)逐層固化并生成三維實(shí)體的成型方式,與SLA的激光逐行掃描不同,DLP可以一次固化整個(gè)輸入的切片層[15]。FDM是一種利用高溫將材料熔化,通過(guò)擠出機(jī)擠出長(zhǎng)絲在構(gòu)建平臺(tái)上層積成型。 SLS是一種粉末成型技術(shù),這種成型方式需要控制高強(qiáng)度的激光來(lái)使粉末顆粒聚合成型。激光直接沉積成形被國(guó)際上多個(gè)研究機(jī)構(gòu)相對(duì)獨(dú)立地發(fā)展起來(lái),并且被賦予了不同的名稱(chēng),如直接金屬沉積 (Direct Metal Deposition, DMD)、激光立體成型(Laser Solid Forming, LSF)等,它在惰性氣體環(huán)境中,以高能量密度的激光作為熱源,將同步送進(jìn)的粉末或絲材逐層熔化堆積,從而實(shí)現(xiàn)金屬零件的直接制造與修復(fù)[16]。電弧增材制造技術(shù)使用電弧作為熱源,將絲材熔化后沉積成形,該技術(shù)具有沉積效率高、制造成本低等優(yōu)勢(shì)。金屬微滴噴射打印通過(guò)液滴噴射器產(chǎn)生金屬微滴,金屬微滴沉積在計(jì)算機(jī)控制的移動(dòng)基板上,通過(guò)逐點(diǎn)的方式堆積成型。

不論何種打印方式,其都采用分層疊加的方式成型,首先通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)或三維掃描儀進(jìn)行建模,然后將建模得到的三維模型進(jìn)行切片處理生成一系列層,接著對(duì)切片得到的層輪廓內(nèi)部進(jìn)行掃描填充(即路徑規(guī)劃,常用Z字型輪廓和偏置輪廓掃描),并將規(guī)劃路徑轉(zhuǎn)化為機(jī)器能夠識(shí)別的G代碼。最后,打印機(jī)通過(guò)讀取輸入文件的G代碼信息,使用液狀、固狀或粉末狀的材料將這些切片層逐一打印出來(lái)[17]。

傳統(tǒng)3D打印系統(tǒng)通常局限于三軸運(yùn)動(dòng)(三自由度),沿著固定的方向打印所需的模型[18]。正由于這種定向的作用,導(dǎo)致傳統(tǒng)3D打印機(jī)打印的零件具有階梯效應(yīng)、尺寸限制、強(qiáng)度不夠以及需要添加支撐結(jié)構(gòu)等一系列問(wèn)題。多軸3D打印技術(shù)的出現(xiàn),通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整打印的方向有效地解決了這些問(wèn)題。自2014年以來(lái),有關(guān)多軸3D打印的論文出版呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)[19](如圖1),越來(lái)越多的研究者開(kāi)始關(guān)注多軸3D打印系統(tǒng)的研究。

2 傳統(tǒng)3D打印存在的問(wèn)題

(1)路徑限制

傳統(tǒng)3D打印利用平面切片生成打印層輪廓,并通過(guò)掃描算法對(duì)輪廓的內(nèi)部進(jìn)行規(guī)劃,這導(dǎo)致零件的構(gòu)建只能沿著固定的方向進(jìn)行,造成這種問(wèn)題的主要原因是3D打印系統(tǒng)自由度的限制。如圖2所示,對(duì)比了兩種打印方式的區(qū)別,傳統(tǒng)3D打印是在固定切片方向的切片層內(nèi)規(guī)劃軌跡,只局限于特定的2D平面內(nèi),且軌跡不可逆。就目前而言,3D打印零件需要更高的力學(xué)性能、熱學(xué)、表面質(zhì)量、甚至生物醫(yī)學(xué)特性,迫切需要沿曲面切線方向或沿零件性能、質(zhì)量要求的方向進(jìn)行路徑規(guī)劃。

(2)階梯效應(yīng)

傳統(tǒng)層式3D打印通過(guò)逐層堆積成型,對(duì)于零件高曲率表面會(huì)產(chǎn)生階梯效應(yīng)。不管哪一種3D打印工藝,當(dāng)模型表面與零件的構(gòu)建方向有一定的角度時(shí),就會(huì)產(chǎn)生階梯效應(yīng)(如圖3),階梯效應(yīng)的產(chǎn)生會(huì)影響制造零件尺寸精度和表面粗糙度。研究人員花費(fèi)了大量的精力,試圖通過(guò)自適應(yīng)地調(diào)整切片層的厚度[20-22],來(lái)減少階梯效應(yīng)。然而,由于定向構(gòu)建的原因,導(dǎo)致階梯效應(yīng)這個(gè)問(wèn)題一直存在。

(3)強(qiáng)度問(wèn)題

3D打印通過(guò)逐層堆積而成型,在大多情況下層間結(jié)合界面的纏結(jié)網(wǎng)絡(luò)和晶體密度均低于打印材料本體,且部分成型技術(shù)的填充結(jié)構(gòu)間存在間隙,因此幾乎所有3D打印的結(jié)構(gòu)都呈現(xiàn)各向異性的力學(xué)性能[23]。如圖4所示為PLA零件的纖維取向與抗拉強(qiáng)度關(guān)系[24],該P(yáng)LA拉伸試驗(yàn)的結(jié)果顯示了不同填充方向?qū)?huì)有不同的拉伸強(qiáng)度,顯然打印纖維水平方向填充的零件承受拉伸載荷,這也意味著打印纖維填充方向必須與負(fù)載方向一致,打印零件才能承受更高的負(fù)載。然而傳統(tǒng)的3D打印工藝是沿一個(gè)固定的方向?qū)臃e成型的,大多數(shù)3D打印零件無(wú)法具有最優(yōu)的力學(xué)性能。

(4)支撐效應(yīng)

在打印過(guò)程中,當(dāng)涉及到零件懸垂部分時(shí),傳統(tǒng)的打印過(guò)程需要?jiǎng)?chuàng)建額外的支撐結(jié)構(gòu),以防止懸垂結(jié)構(gòu)塌陷或滑落,如圖5所示。打印所需的支撐結(jié)構(gòu)會(huì)增加額外的打印時(shí)間(增加32%～48%的打印時(shí)間)和材料消耗(增加30%～60%的材料消耗)[25],并且打印完成的零件需要拆除添加的支撐結(jié)構(gòu),導(dǎo)致后期處理(如剝離支撐結(jié)構(gòu)、清潔等)較困難[26]。此外,由于零件的表面與支撐結(jié)構(gòu)接觸,導(dǎo)致零件的表面光潔度下降。

(5)尺寸限制

目前大部分商業(yè)3D打印機(jī)由于自由度以及尺寸限制的問(wèn)題,無(wú)法實(shí)現(xiàn)完整大尺寸零件的打印。在傳統(tǒng)的一些大尺寸打印研究中,通常將打印零件分解為一系列可打印的子模型,在打印完成后,再通過(guò)膠水或自鎖結(jié)構(gòu)進(jìn)行裝配,如圖6所示。但由于拼接處表面有接縫的存在,導(dǎo)致零件的表面質(zhì)量和光潔程度受到影響,此外還由于零件是拼接完成的,還存在零件力學(xué)性能不足的問(wèn)題[27-28]。

3 多軸3D打印技術(shù)研究進(jìn)展

3.1 多軸3D打印技術(shù)路徑規(guī)劃的研究現(xiàn)狀

由于多軸3D打印構(gòu)建的方向是變化的,傳統(tǒng)3D打印路徑規(guī)劃算法已經(jīng)不再適用。當(dāng)前的多軸3D打印通常將零件分解為不同的組件(或直接分解為曲面層),然后對(duì)組件(曲面層)的構(gòu)建進(jìn)行路徑規(guī)劃,其工藝通常涉及到2種路徑規(guī)劃:組件之間的路徑規(guī)劃和分層輪廓的路徑規(guī)劃。

在多軸3D打印組件分解的過(guò)程中,首先必須在確保材料在層積無(wú)塌陷的條件下(如基于骨架的分解算法[29]、體積分解算法[30]、基于體素模型分解方法[31]等),對(duì)模型的組件進(jìn)行劃分,然后再根據(jù)機(jī)器人的約束條件保證打印過(guò)程的無(wú)碰撞。對(duì)于多軸3D打印而言,一般將無(wú)碰撞路徑集成于算法之中,而不使用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的方法,以此提高打印的效率。對(duì)于組件之間的路徑規(guī)劃,通常使用兩種方法:①類(lèi)似于數(shù)控機(jī)床的退刀方法,將打印頭退回至安全高度,等待打印件姿態(tài)調(diào)整完成后,再進(jìn)行加工;②現(xiàn)代機(jī)器人中的路徑規(guī)劃方法,例如,基于幾何模型路徑規(guī)劃中的A*算法和Voronoi圖,隨機(jī)搜索算法中的快速搜索隨機(jī)樹(shù)算法以及概率路線圖等。此外,合理的組件路徑規(guī)劃,不僅能實(shí)現(xiàn)組件之間的無(wú)碰撞,還能減少起始時(shí)間、停止時(shí)間和構(gòu)建時(shí)間。對(duì)于連續(xù)性的路徑規(guī)劃,則不存在這樣的問(wèn)題[32]。

在分解組件完成后,需要對(duì)組件進(jìn)行分層。多軸3D打印組件的分層輪廓的厚度有兩種選擇:①厚度均勻的平面分層;②厚度變化的曲面分層。與傳統(tǒng)的3D打印路徑規(guī)劃一樣,平面分層使用平面對(duì)組件進(jìn)行分層,分層后再對(duì)輪廓信息進(jìn)行路徑規(guī)劃。平面分層最常使用輪廓偏置掃描[32]和Z字形掃描[33]對(duì)路徑進(jìn)行規(guī)劃,如圖7所示。然而,這種平面分層及其路徑規(guī)劃,仍舊會(huì)產(chǎn)生一系列問(wèn)題,如階梯效應(yīng)、零件產(chǎn)生缺陷等,在多軸3D打印中很少應(yīng)用。

曲面分層突破了平面分層的缺點(diǎn),使階梯效應(yīng)的解決成為了可能。由于曲面分層輪廓是3D曲面,傳統(tǒng)的2D輪廓掃描將不再適用,需要提出新的路徑規(guī)劃方法。當(dāng)前的多軸3D打印曲面路徑規(guī)劃研究中,最常使用空間映射法生成曲面打印路徑。空間映射法[34-37]指的是首先將曲面輪廓展開(kāi)至平面,使用掃面算法對(duì)展開(kāi)平面進(jìn)行填充,然后將平面映射回3D空間,從而生成曲面打印路徑,如圖8所示。AHLERS等[35]提出一種在二維軌跡基礎(chǔ)上生成三維軌跡的方法,該方法通過(guò)二維路徑投影于非平面曲面的圖層上,從而生成曲面路徑,如圖9所示;ISA等[36]構(gòu)造了曲面的矩形參數(shù)域,在矩形參數(shù)域上使用Z字形算法對(duì)矩形進(jìn)行填充,最后將矩形映射在曲面上,以獲取三維打印路徑;ETIENNE等[37]提出一種在傳統(tǒng)三軸打印機(jī)上進(jìn)行曲面軌跡規(guī)劃方法,該方法首先使用平面對(duì)變形優(yōu)化的模型進(jìn)行切片,然后對(duì)平面層進(jìn)行軌跡規(guī)劃,最后再映射回原始模型以獲得相應(yīng)的曲面層軌跡。

此外,也有其他的一些先進(jìn)曲面路徑算法。為了提高曲面層的打印效率,LI等[38]提出一種曲面截交法,其利用四面體網(wǎng)格對(duì)模型內(nèi)部進(jìn)行填充,通過(guò)曲面截交四面體網(wǎng)格獲得填充圖案后,使用Fleury算法在填充圖中尋找歐拉環(huán),從而生成可以連續(xù)打印的路徑;SINGAMNENI等[39]討論了一種混合軌跡規(guī)劃方法,該方法主要包括曲面層?xùn)鸥竦奶畛?曲面切片的平行偏移和支撐生成。對(duì)于曲面柵格的填充提出了兩種方法:①利用商用CAM軟件,使用球頭銑刀生成加工刀具路徑時(shí),其刀具路徑與FDM路徑基本相似的特點(diǎn),從而生成打印路徑;②使用垂直平面對(duì)STL模型進(jìn)行切片,以獲取的曲面關(guān)鍵點(diǎn),通過(guò)擬合進(jìn)而生成曲面路徑,但這種方法的精度很難保證,并且只能對(duì)零件表面進(jìn)行規(guī)劃。XU等[40]將模型分解為一系列曲面場(chǎng)(該場(chǎng)由測(cè)地線組成),再把該場(chǎng)展開(kāi)至平面,用Delaunay三角形網(wǎng)格填充;然后通過(guò)Harmonic方法映射回三維空間,對(duì)原始的三維輪廓進(jìn)行插值,從而生成一個(gè)彎曲層;最后基于曲面層測(cè)地線距離場(chǎng)生成等高線平行路徑。JIN等[41]使用B樣條曲面擬合網(wǎng)格曲面,通過(guò)偏移曲面獲取打印路徑。該方法首先將擬合的切片曲面偏移層厚度一半的距離,以獲得沉積曲面;然后根據(jù)精度要求,通過(guò)將設(shè)計(jì)表面偏移一段距離來(lái)構(gòu)建相貫面;最后在設(shè)計(jì)面上沿其一條邊選擇第一條沉積路徑,通過(guò)垂直偏移沉積路徑生成打印路徑,如圖10所示。

除了生成打印路徑外,為了便于打印機(jī)修改層的厚度和構(gòu)建方向,多軸打印路徑還需要確定每一個(gè)采樣點(diǎn)的構(gòu)建方向,以及通過(guò)算法對(duì)材料進(jìn)給速度進(jìn)行適應(yīng)性控制。

3.2 多軸3D打印技術(shù)在力學(xué)性能改善上的研究

對(duì)于3D打印零件,強(qiáng)度受其切片方向和打印路徑的影響,主要原因是層間的粘合強(qiáng)度較弱,致使零件的力學(xué)強(qiáng)度在打印方向上受到限制[42]。與纖維(打印路徑)載荷方向一致打印的零件將會(huì)具有更大的有效拉伸強(qiáng)度,可以承受更大的載荷作用。EZAIR等[43]在傳統(tǒng)直角坐標(biāo)FDM打印機(jī)上實(shí)現(xiàn)了一種覆蓋曲線打印方法,該方法根據(jù)零件的拓?fù)浞较?使打印零件更符合其幾何特點(diǎn),如圖11所示。這種方法能夠提升打印零件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,并有效解決了階梯效應(yīng)的問(wèn)題。但由于需要添加支撐,導(dǎo)致接觸表面的表面光潔度較低,這是后續(xù)需要改進(jìn)的問(wèn)題。

KUBALAK等[44]提出一種傳統(tǒng)3D打印零件力學(xué)性能增強(qiáng)的方法,該方法在傳統(tǒng)打印的零件基礎(chǔ)上,根據(jù)零件的受載方向,利用多軸機(jī)器人打印與零件受載方向一致的復(fù)合板,以此來(lái)增強(qiáng)零件的力學(xué)性能。與傳統(tǒng)的打印零件相比,該零件的強(qiáng)度提高了59%。隨后,KUBALAK等[45]使用ABB IRB 1200機(jī)器人從零件受載方向上實(shí)現(xiàn)了零件整體的打印,研究了分層方向和沉積方向?qū)α慵W(xué)性能的影響。如圖12所示的結(jié)構(gòu)中,每個(gè)分支都會(huì)以最佳的力學(xué)性能對(duì)物體進(jìn)行支撐,將得到的多軸打印的零件與使用傳統(tǒng)方法打印的零件進(jìn)行拉伸試驗(yàn),結(jié)果發(fā)現(xiàn)多軸打印零件的抗拉強(qiáng)度比傳統(tǒng)打印零件的抗拉強(qiáng)度高出了153%。

在傳統(tǒng)熔融沉積成型系統(tǒng)中,所有打印絲的鋪設(shè)都處于恒定的高度。打印材料層之間的附著力遠(yuǎn)弱于材料本身的抗拉強(qiáng)度,在打印零件中會(huì)存在零件力學(xué)性能弱化的方向。為此,YERAZUNIS等[46]將零件的打印纖維設(shè)計(jì)在與零件內(nèi)的應(yīng)力張量緊密對(duì)齊的位置,但需要5軸打印系統(tǒng),因此設(shè)計(jì)了一個(gè)集成了delta結(jié)構(gòu)(3自由度)和旋轉(zhuǎn)平臺(tái)(2自由度)的5軸打印系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)打印,如圖13a所示。與傳統(tǒng)的三軸打印零件相比,利用多軸打印的零件的強(qiáng)度提高了3到5倍。TAM等[47]提出了一種通過(guò)3D建模工具Rhinoceros 3D構(gòu)建3D應(yīng)力線的方法(如圖13b)。給定一個(gè)播種點(diǎn),從有限元分析數(shù)據(jù)中提取主應(yīng)力方向,通過(guò)一種(1+n)階近似方法對(duì)該點(diǎn)進(jìn)行插值;然后沿著這些主應(yīng)力方向繪制線段,前點(diǎn)作為后續(xù)迭代的起點(diǎn);重復(fù)上述過(guò)程,直到應(yīng)力線達(dá)到模型邊界。通過(guò)這種主應(yīng)力線生成路徑的方法,其承載力可額外增加80%～100%。FANG等[48]通過(guò)引入標(biāo)量場(chǎng)的方法,從標(biāo)量場(chǎng)中提取iso曲面和iso曲線來(lái)計(jì)算曲面層和運(yùn)動(dòng)軌跡。該標(biāo)量場(chǎng)可以根據(jù)機(jī)械強(qiáng)度要求和制造約束進(jìn)行優(yōu)化,與基于平面層的熔融沉積技術(shù)相比,該方法制作的模型在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中可以承受高達(dá)1.42～6.35倍原有的載荷。

傳統(tǒng)的3D打印路徑規(guī)劃中缺乏對(duì)結(jié)構(gòu)性能的考慮,沿三維主應(yīng)力矢量沉積材料是一種提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的有效方法,它在全局幾何、拓?fù)浜痛蛴〗z布局上對(duì)結(jié)構(gòu)性能的進(jìn)行了考慮。目前使用多軸3D打印技術(shù)改善零件的力學(xué)性能處于初步研究階段,未來(lái)需要開(kāi)發(fā)更智能的路徑規(guī)劃算法,該算法包括:①根據(jù)零件的受載情況,自動(dòng)生成應(yīng)力線結(jié)構(gòu);②根據(jù)應(yīng)力線結(jié)構(gòu),選擇零件的構(gòu)建方向;③處理噴頭和打印件之間的碰撞問(wèn)題。

3.3 多軸3D打印技術(shù)在去支撐化上的研究

在傳統(tǒng)的層式打印方式中,當(dāng)打印具有懸垂特征的結(jié)構(gòu)時(shí),為了防止懸垂結(jié)構(gòu)塌陷,必須要添加支撐結(jié)構(gòu)。這通常會(huì)增加打印的時(shí)間、材料以及降低打印質(zhì)量。然而,支撐結(jié)構(gòu)并不是一定需要的,通過(guò)多軸3D打印技術(shù)在打印過(guò)程中改變打印方向,可以實(shí)現(xiàn)具有懸垂特征結(jié)構(gòu)的無(wú)支撐打印。

ZHAO等[26]最早在傳統(tǒng)熔融層積打印機(jī)中實(shí)現(xiàn)懸垂結(jié)構(gòu)的無(wú)支撐化打印,提出一種斜層切片的方法,該方法將等效傾斜角作為目標(biāo)函數(shù)的重要參數(shù),對(duì)切片角度進(jìn)行了優(yōu)化,從而實(shí)現(xiàn)了斜層打印。這種方法可以方便地用傳統(tǒng)的3D打印機(jī)打印懸垂結(jié)構(gòu),如圖14a所示,其充分利用笛卡爾打印機(jī)的自由度,通過(guò)動(dòng)態(tài)改變各層內(nèi)的Z值進(jìn)行打印,但由于噴嘴不垂直于打印表面,部分傾斜角度的切片的懸垂結(jié)構(gòu)的底面容易產(chǎn)生毛刺,如圖14b所示。

對(duì)于五軸3D打印而言,實(shí)現(xiàn)無(wú)支撐化打印最簡(jiǎn)單的方法是對(duì)懸垂結(jié)構(gòu)進(jìn)行分割,然后對(duì)模型逐個(gè)進(jìn)行打印。SUNDARAM等[49]提出一種五軸自適應(yīng)切片算法,首先通過(guò)分析模型曲面法向矢量與打印方向之間的角度,實(shí)現(xiàn)對(duì)具有懸垂特征的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分割,接著利用曲率閾值對(duì)分割的結(jié)構(gòu)進(jìn)行自適應(yīng)切片,但該算法并未在打印機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證。LEE等[50]提出一種五軸激光直接沉積的切片方法,該方法首先沿Z軸方向進(jìn)行2.5D切片,利用切片層之間的拓?fù)潢P(guān)系(如圖15b～15e),將模型分解為“可構(gòu)建部分”和“不可構(gòu)建部分”(如圖15a),然后從模型中分割出模型的懸垂特征(即不可構(gòu)建部分之和),并對(duì)分割子區(qū)域進(jìn)行排序,最后沿著構(gòu)建的方向進(jìn)行多方向切片。這種方法既簡(jiǎn)單又容易實(shí)現(xiàn),但只適用于沿著一個(gè)或兩個(gè)方向上的懸垂特征。

文獻(xiàn)[26,49-50]的方法在一定程度上實(shí)現(xiàn)了懸垂結(jié)構(gòu)的去支撐化,但只關(guān)注了實(shí)體模型的外輪廓,而對(duì)于具有內(nèi)部連續(xù)孔或薄壁的懸垂結(jié)構(gòu),并不能很好地實(shí)現(xiàn)去支撐化。為此,WANG等[25]提出一種五軸動(dòng)態(tài)切片算法,實(shí)現(xiàn)了內(nèi)部具有孔或槽的零件無(wú)支撐打印。首先將STL模型文件提取為點(diǎn)云模型文件,利用平均曲率流算法提取模型的骨架點(diǎn)集,并使用B樣條空間曲線擬合骨架點(diǎn)集,得到模型的骨架曲線,通過(guò)空間位置轉(zhuǎn)換矩陣來(lái)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換當(dāng)前切片與骨架線的交點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)切片,如圖16a所示。然而,由于該方法的層厚不均勻,導(dǎo)致打印模型外表面存在凹陷特征,如圖16b所示。為了解決這種問(wèn)題,LIU等[51]提出一種電弧增材制造無(wú)支撐結(jié)構(gòu)的方法,該方法首先將模型進(jìn)行分割,然后采用等距多段線生成模型的焊接路徑,并確保焊接的方向線為等距多段線的切向量與法向量的叉乘,其生成的均勻?qū)咏鉀Q了這一問(wèn)題;NISHIKAWA等[52]實(shí)現(xiàn)了FDM薄壁零件的無(wú)支撐化制造方法,該方法通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整打印的姿態(tài)角,使打印層的重心作用于前一層的質(zhì)心上,從而確保打印絲不會(huì)坍塌或滑落。

文獻(xiàn)[25,51-52]的方法只適用于無(wú)分支的懸垂結(jié)構(gòu)的打印,對(duì)于多分支的懸垂結(jié)構(gòu)的打印并不適用。目前,對(duì)于多分支模型的無(wú)支撐打印通常有兩種方法,分別是分割打印和自由曲面打印。分割打印指的是將多支模型進(jìn)行分割,然后使用無(wú)分支的懸垂結(jié)構(gòu)打印的方法對(duì)模型進(jìn)行逐個(gè)打印。自由曲面打印指的是將模型分解為一系列的曲面層,然后再由每個(gè)曲面生成曲面打印路徑。WANG等[53]基于文獻(xiàn)[25]這種骨架的工藝規(guī)劃策略,在五軸打印機(jī)上實(shí)現(xiàn)了多分支結(jié)構(gòu)的打印,該方法將多支結(jié)構(gòu)分割為獨(dú)立的無(wú)支撐子模型,然后再對(duì)每個(gè)子模型沿骨架的方向?qū)δＰ瓦M(jìn)行切片。WU等[30]提出一種6自由度機(jī)器人去支撐化成型算法(如圖17),該算法首先根據(jù)基于骨架的形狀分析將一個(gè)模型分割成多個(gè)部分,然后結(jié)合系統(tǒng)之間的無(wú)碰撞約束,確定打印的順序,最后對(duì)每個(gè)部分進(jìn)行精細(xì)的級(jí)別劃分,并優(yōu)化打印順序。對(duì)于平行于零件打印平面的切片層,可以按照與傳統(tǒng)FDM相同的方式生成打印軌跡的G代碼,而其余的切片層則通過(guò)空間轉(zhuǎn)換矩陣生成打印軌跡。DAI等[31]提出一種曲面分層算法。首先通過(guò)體素化將模型分解為一系列的曲面層,然后再由每個(gè)曲面生成曲面打印路徑,這可以依次降低打印維數(shù)。接著使用標(biāo)量場(chǎng)算法尋找一個(gè)沉積順序,在這種順序下,可以保證打印之間是無(wú)碰撞的,最后根據(jù)六軸機(jī)械臂的約束條件,對(duì)打印零件的位置和沉積的方向進(jìn)行優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)無(wú)支撐化打印。如圖18所示為傳統(tǒng)切片與曲面切片方法的比較。

零件的去支撐化可以提高懸垂結(jié)構(gòu)輪廓表面質(zhì)量,節(jié)省打印的材料以及縮短零件打印的時(shí)間。隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展,機(jī)器人將給無(wú)支撐打印帶來(lái)新一輪發(fā)展。然而,目前的多軸切片算法只能實(shí)現(xiàn)對(duì)簡(jiǎn)單多支模型的研究,未來(lái)的一段時(shí)間里,復(fù)雜多支模型的打印將會(huì)一直是無(wú)支撐打印的研究重點(diǎn)。

3.4 多軸3D打印技術(shù)在階梯效應(yīng)上的研究

階梯效應(yīng)是傳統(tǒng)層式打印最大的問(wèn)題,也是零件精度最大的影響因素。在定向?qū)邮街圃熘?人們一直致力于使用自適切片算法來(lái)抑制階梯效應(yīng),即根據(jù)構(gòu)建方向模型幾何變化而改變切片層厚來(lái)減少階梯效應(yīng)[54]。然而,這種方法并沒(méi)有從本質(zhì)上解決階梯效應(yīng),并增加了制造的時(shí)間。利用多軸打印技術(shù),可以自由制造模型的曲面,為解決階梯效應(yīng)提供了一種有效的方案。

為了在傳統(tǒng)三軸中解決解決階梯效應(yīng)的問(wèn)題,CHAKRABORTY等[55]最早提出一種自由曲面層熔融沉積成型方法,該方法通過(guò)動(dòng)態(tài)改變各層內(nèi)的Z值進(jìn)行打印,具有減少階梯效應(yīng),在制造殼類(lèi)或彎曲類(lèi)零件具有明顯優(yōu)勢(shì);ALLEN等[56]和LLEWELLYN-JONES等[57]在三軸Delta打印機(jī)上實(shí)現(xiàn)了該方法的打印,相比于直角坐標(biāo)打印機(jī),delta打印機(jī)能夠提升打印模型的精度和效率。如圖19a所示為使用傳統(tǒng)打印路徑打印的零件,圖19b是使用曲面打印路徑制造的零件。該方法明顯提升了打印零件的光潔度,但這種方法需要支撐,無(wú)法實(shí)現(xiàn)懸垂結(jié)構(gòu)的曲面自由打印。

為了提高工藝效率和制造零件的質(zhì)量,混合路徑被認(rèn)為是最有效的。BACKER等[58]提出一種蒙皮打印方法,該方法將打印模型的蒙皮區(qū)域和內(nèi)部區(qū)域分離出來(lái),內(nèi)部區(qū)域采用傳統(tǒng)層式切片,而模型的表皮自由曲面進(jìn)行路徑規(guī)劃,如圖20a所示。相比自由曲面打印而言,由于內(nèi)部是傳統(tǒng)的層式切片,降低了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡的插補(bǔ)計(jì)算,從而提高了零件的打印速率。類(lèi)似于文獻(xiàn)[58]的方法,SHEN等[59]提出一種懸垂結(jié)構(gòu)無(wú)階梯打印,該方法將模型分為3個(gè)區(qū)域,區(qū)域1是與Z方向平行的外部輪廓,區(qū)域2是懸垂結(jié)構(gòu)下表面的輪廓,區(qū)域3是零件的內(nèi)部填充區(qū)。在傳統(tǒng)打印和多軸模式下,打印機(jī)首先使用傳統(tǒng)打印方法打印區(qū)域1,然后旋轉(zhuǎn)平臺(tái)打印零件區(qū)域2,最后在第一層上打印填充區(qū)域3,如圖20b所示。FLORES等[60]提出一種多軸激光直接沉積混合打印方法,其通過(guò)可傾斜平臺(tái)沉積零件表面輪廓,同時(shí)打印噴頭不斷重新定向,使噴頭與輪廓相切,最后使用傳統(tǒng)的路徑方法定向沉積零件的內(nèi)部區(qū)域。

LI等[38]開(kāi)發(fā)了一種多軸FDM硬件系統(tǒng),該系統(tǒng)將打印床與6自由度UR5機(jī)械臂集成在一起。采用機(jī)器人操作系統(tǒng)使各軸同步,實(shí)現(xiàn)了變厚度層的連續(xù)打印。在多軸打印平臺(tái)上,將模型分解成一系列曲面層,通過(guò)連續(xù)調(diào)整噴嘴方向與模型的輪廓法線方向垂直,使打印零件與模型重合,從而降低階梯效應(yīng),如圖21a和21b所示為傳統(tǒng)制造與該方法制造零件的區(qū)別。為了提高零件的打印速率,文獻(xiàn)[38]采用了一系列網(wǎng)格填充打印零件的內(nèi)部。ISA等[36]提出根據(jù)殼類(lèi)零件的頂部形狀對(duì)打印模型進(jìn)行曲面層分解,并確保側(cè)表面的打印方向與模型的切線方向重合,而上表面采用自由曲面打印,即連續(xù)調(diào)整噴嘴或堆積平臺(tái)使噴嘴軸線與模型曲面重合,如圖21c所示。這使得打印零件的質(zhì)量得到進(jìn)一步的提升,尤其是殼類(lèi)零件的上表面。

針對(duì)下表面是高曲率曲面的零件,ZHAO等[61]提出使用曲面床來(lái)堆積零件的打印模型。如圖22所示,該打印系統(tǒng)包括用于運(yùn)動(dòng)控制的KUKA機(jī)器人、平面打印熱床和曲面打印熱床。根據(jù)零件的下表面曲率,將零件分解為不同厚度的曲面層,并使用曲面填充方法來(lái)生成打印路徑,該方法可以有效地解決零件下表面的階梯效應(yīng)問(wèn)題。

多軸打印技術(shù)提供了更自由的打印方式,使零件的打印變得更靈活多樣。從目前的研究來(lái)看,解決零件制造的階梯效應(yīng)的辦法主要有3種:①針對(duì)上表面是高曲率曲面的零件,可以采用自由曲面打印方法,通過(guò)連續(xù)調(diào)整噴嘴的軸線與零件曲面的法線重合進(jìn)行打印;②懸垂結(jié)構(gòu)的高曲率表面,將模型分解成一系列曲面層,通過(guò)連續(xù)調(diào)整噴嘴軸線方向與零件的輪廓切線方向?qū)R;③針對(duì)下表面是高曲率曲面的零件,可以通過(guò)使用曲面打印床來(lái)對(duì)零件進(jìn)行打印。在FDM成型中,解決懸垂結(jié)構(gòu)表面的階梯效應(yīng)通常通過(guò)連續(xù)調(diào)整層切線方向與零件的輪廓切線方向?qū)R,然而FDM打印絲在實(shí)際綜合擠壓、收縮等各種因素之后,沉積的打印絲的形狀會(huì)形成為對(duì)稱(chēng)的賽道形狀[26,62],如圖23所示。打印絲兩端的半圓是導(dǎo)致FDM零件粗糙度產(chǎn)生的原因。因此如何在FDM上實(shí)現(xiàn)懸垂結(jié)構(gòu)高曲率表面的自由打印,是一個(gè)未來(lái)需要解決的問(wèn)題。

3.5 多軸3D打印技術(shù)大尺寸打印上的研究

多自由度系統(tǒng)的使用,使大尺寸打印成為了可能。大尺寸打印的方法有兩種,對(duì)傳統(tǒng)三軸打印系統(tǒng)的擴(kuò)展以及機(jī)器人的使用。荷蘭的3D打印企業(yè)Blackbelt 3D[63-64]推出了一款如圖24所示的3D打印機(jī),該3D打印機(jī)具有用于沉積構(gòu)建表面的移動(dòng)輸送帶,理論上該打印機(jī)可以打印無(wú)限長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)。同時(shí)該打印機(jī)支持繞Y軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn),以45度角打印懸垂結(jié)構(gòu),但這些懸垂結(jié)構(gòu)只能在一個(gè)方向上進(jìn)行。

DLP技術(shù)和SLA技術(shù)都是一種自底向上的成型技術(shù),與SLA唯一不同的是DLP使用的是線光源,而SLA使用的是點(diǎn)光源。由于光源不可移動(dòng)的特性,致使DLP和SLA打印的模型較小。為此,YI等[65]在DLP打印中使用delta結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了DLP零件的大尺寸打印,該打印機(jī)由delta機(jī)構(gòu)、三個(gè)垂直Z軸和一個(gè)傾斜裝置組成,如圖25所示。該大尺寸打印的挑戰(zhàn)是用固定矩形光源區(qū)域覆蓋模型切片后的平面多邊形截面,利用多邊形的中軸(或骨架)來(lái)分割多邊形截面,并對(duì)分割的子多邊形進(jìn)行最優(yōu)合并。對(duì)于每個(gè)合并的部分,計(jì)算一組具有最佳方向的基本矩形塊。同時(shí)打印機(jī)中的傾斜裝置配合delta機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng),有效的將每個(gè)固化層和PDMS膜(防止固化層粘接在儲(chǔ)脂槽上)進(jìn)行了分離,這種方法也可以擴(kuò)展到SLA的大尺寸打印上。

四軸飛行器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了良好的飛行控制[66-67],被廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航和定位[68-69]。為了實(shí)現(xiàn)大尺寸的零件打印,HUNT等[70]研究了一種空中3D打印機(jī)器人(如圖26),該飛行器能夠沉積聚氨酯泡沫建造結(jié)構(gòu),并允許打印模塊進(jìn)行旋轉(zhuǎn),在側(cè)向進(jìn)行打印。該飛行打印機(jī)克服了打印結(jié)構(gòu)尺寸的限制,提供了極大的靈活性,在航空建設(shè)領(lǐng)域具有很好的發(fā)展前景。但這種技術(shù)的主要限制是飛行機(jī)器人的有效載荷有限,層積精度需要很高的飛行穩(wěn)定性保證,電池壽命有限等問(wèn)題。

3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域的發(fā)展可提高建造的效率,降低能源消耗和人工成本。由于建筑結(jié)構(gòu)的大尺寸要求,多軸機(jī)器人輔助制造技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)和施工領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在建筑行業(yè),多軸3D打印技術(shù)已成功應(yīng)用于輪廓成型、混凝土打印等工藝。

GOSSELIN等[71]使用切向連續(xù)性分層方法,實(shí)現(xiàn)了大尺度建筑結(jié)構(gòu)的無(wú)支撐打印,其打印系統(tǒng)如圖27a所示。該打印過(guò)程包括兩個(gè)步驟:首先制備砂漿預(yù)混料,使其具有適于泵送的流變特性,即具有細(xì)顆粒尺寸分布、低臨界剪切應(yīng)力和緩慢硬化質(zhì)量。并將預(yù)混料保存在剪切混合器中,以避免因其觸變行為而發(fā)生凝固。然后使用蠕動(dòng)泵將預(yù)混料輸送至打印頭內(nèi)的混合螺桿。BARNETT等[72]采用六自由度懸索機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了大型雕刻的打印,如圖27b和圖27c所示。機(jī)器人的索纜定位系統(tǒng)提供了大范圍的運(yùn)動(dòng),與傳統(tǒng)用于3D打印的機(jī)架式定位系統(tǒng)相比,懸索機(jī)器人系統(tǒng)質(zhì)量更輕和重新配置。

如果將多自由度機(jī)器人連接到移動(dòng)基座,則機(jī)器人可以自由移動(dòng)并能打印更大尺寸的結(jié)構(gòu)[73]。KUMAR等[74]使用ABB的IRB 4600機(jī)器人與履帶相結(jié)合(如圖28a),實(shí)現(xiàn)了混凝土結(jié)構(gòu)的無(wú)廢料制造。機(jī)器人集成的視覺(jué)反饋系統(tǒng)可以在現(xiàn)場(chǎng)制造過(guò)程中對(duì)制造公差進(jìn)行反饋,實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的打印形狀和目標(biāo)形狀之間進(jìn)行協(xié)調(diào)。MX3D公司[75]提出一種電弧增材制造橋梁的構(gòu)想,機(jī)器人可以沿著自己打印的導(dǎo)軌移動(dòng),并在導(dǎo)軌之間構(gòu)建橋梁結(jié)構(gòu)(如圖28b)。KEATING等[76]研究了一種移動(dòng)復(fù)合機(jī)器人打印系統(tǒng),該系統(tǒng)由一個(gè)4自由度液壓臂和一個(gè)較小的6自由度電動(dòng)臂組成(如圖28c),可以在各種材料上進(jìn)行增材制造,減材制造以及混合制造。HACK等[77]設(shè)計(jì)了一種將模殼和鋼筋統(tǒng)一起來(lái)的增材制造技術(shù),移動(dòng)機(jī)械臂的末端執(zhí)行器具有彎曲和焊接鋼絲的能力,可以在現(xiàn)場(chǎng)制造自由形式設(shè)計(jì)的網(wǎng)格(如圖28d),填充混凝土后形成鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。SUBRIN等[78]將自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)(Automated Guided Vehicle,AGV)和工業(yè)機(jī)器人相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了房屋的打印。這種復(fù)雜系統(tǒng)的集成會(huì)對(duì)AGV的位置偏移產(chǎn)生影響,在保證軌跡可行性的前提下,需要采用修正矩陣對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行重新定位。盡管移動(dòng)式機(jī)器人打印系統(tǒng)在建筑行業(yè)表現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用前景,但移動(dòng)式機(jī)器人在增材制造系統(tǒng)的定位還存在許多問(wèn)題及挑戰(zhàn),需要廣大的研究者去解決。

4 存在的問(wèn)題和未來(lái)可能發(fā)展的方向

多軸3D打印技術(shù)使用曲面路徑對(duì)零件進(jìn)行打印,有效地提高了零件的表面質(zhì)量和性能,然而當(dāng)前曲面路徑規(guī)劃中依舊存在諸多問(wèn)題。在由噴頭沉積類(lèi)型的3D打印工藝中,當(dāng)構(gòu)建的表面層存在凹陷特征時(shí),可能會(huì)發(fā)生局部碰撞,導(dǎo)致零件打印失敗或精度受損。因此對(duì)于曲面分層而言,如何保證路徑的凸性或避免較小的凹陷特征也是一個(gè)值得關(guān)注的問(wèn)題。此外,在零件輪廓的曲率發(fā)生劇烈變化的區(qū)域,可能無(wú)法保證沉積路徑的凸性,有研究者提出采用細(xì)長(zhǎng)的噴頭來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題,這意味著需要重新對(duì)噴頭進(jìn)行一些研究,例如,探尋噴頭形狀對(duì)材料擠出性能、零件性能、路徑規(guī)劃等方面的影響,其需要更多的研究者加入,并從中評(píng)價(jià)出最優(yōu)的噴頭形狀。在多軸3D打印路徑規(guī)劃中還應(yīng)使噴嘴盡量垂直于打印曲面,例如,在激光直接沉積工藝中,傾斜噴嘴會(huì)引起激光光斑大小的變化,從而對(duì)零件制造的質(zhì)量產(chǎn)生重要影響[79]。相比傳統(tǒng)3D打印而言,多軸3D打印有效提升了零件的打印質(zhì)量,但由于打印方向的連續(xù)調(diào)整,使得多軸3D打印的效率較慢,無(wú)法評(píng)價(jià)傳統(tǒng)路徑規(guī)劃和多軸路徑規(guī)劃方法的好壞,但未來(lái)可以將它們集成在一個(gè)應(yīng)用軟件中,根據(jù)用戶(hù)的需求,對(duì)軌跡規(guī)劃進(jìn)行選擇。另外,有關(guān)多軸3D打印在奇異域速度限制下的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃研究較少[80],例如,在FDM成型中,擠出機(jī)的速度是受硬件限制的,當(dāng)打印速度過(guò)快時(shí),將導(dǎo)致材料擠出不足,造成零件缺陷,如圖29所示。

目前的多軸3D打印研究中,大量使用機(jī)器人進(jìn)行輔助制造,與傳統(tǒng)打印零件相比,多軸打印的零件精度較低,其主要原因是機(jī)器人的定位精度較低。目前的工業(yè)機(jī)器人重復(fù)定位精度在0.1mm～0.5mm之間,其受機(jī)器人零件加工誤差、零件裝配誤差和零部件磨損等因素的影響[81]。此外,機(jī)器人在打印時(shí),需要對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行大量的插補(bǔ)計(jì)算,再加上插補(bǔ)誤差,將使其打印誤差進(jìn)一步擴(kuò)大。目前的多軸3D打印系統(tǒng)的研究大多處于開(kāi)環(huán)打印狀態(tài),并沒(méi)有引入反饋控制。3D打印過(guò)程控制系統(tǒng)中的各控制量(如FDM的溫度、壓力、送絲速度等)通常會(huì)耦合作用于被控量,再加上存在大量的不穩(wěn)定因素,如零件支撐的穩(wěn)定性、電機(jī)運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性、零件的翹邊以及材料形態(tài)的變化等一些的因素影響,使得3D打印過(guò)程控制系統(tǒng)復(fù)雜化[82]。然而機(jī)器人輔助制造的零件精度較低,又必須要引入反饋控制,使其打印的質(zhì)量得以提升。隨著視覺(jué)反饋系統(tǒng)和機(jī)器學(xué)習(xí)的快速發(fā)展,可能將給多軸3D打印技術(shù)的過(guò)程控制帶來(lái)曙光[83],視覺(jué)反饋結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用于機(jī)器人輔助增材制造的定位,將可能有效地解決多軸打印零件的打印精度問(wèn)題。

在當(dāng)前的算法中,沒(méi)有可以生成與機(jī)器人語(yǔ)言兼容的G代碼的數(shù)據(jù)算法,也沒(méi)有關(guān)于連接CAD系統(tǒng)和機(jī)器人輔助制造過(guò)程的信息交流的標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)的打印過(guò)程將規(guī)劃路徑轉(zhuǎn)化為機(jī)器能夠識(shí)別的G代碼,然后打印機(jī)通過(guò)讀取輸入文件的G代碼信息對(duì)零件進(jìn)行打印。而機(jī)器人輔助制造與傳統(tǒng)打印不同,其一般通過(guò)系統(tǒng)的解析器對(duì)運(yùn)動(dòng)信息和輔助信息(如進(jìn)給速度和加熱控制)進(jìn)行提取,最后再將信息發(fā)送給機(jī)器人。并且不同的機(jī)器人有不同的語(yǔ)言,如何實(shí)現(xiàn)打印系統(tǒng)之間的信息交流也將是未來(lái)需要關(guān)注的問(wèn)題。此外,傳統(tǒng)的FDM成型技術(shù)得以廣泛流行的原因之一是其低廉的價(jià)格。目前的多軸打印系統(tǒng)大多成本較高,開(kāi)發(fā)低成本的多軸打印系統(tǒng)也將是未來(lái)多軸打印研究的方向之一。

多軸3D打印的靈活性,除了在零件力學(xué)性能改善、去支撐化、解決階梯效應(yīng)以及大尺寸打印4個(gè)方面得到應(yīng)用外,在以下幾個(gè)方向,也將得到廣泛的應(yīng)用。

(1)多材料打印 高自由度機(jī)器人可以提供更大的靈活性來(lái)有效地操縱各種打印噴頭,允許使用多種材料來(lái)構(gòu)建復(fù)雜的結(jié)構(gòu),還將給4D打印設(shè)計(jì)提供更多靈活的方案。4D打印是一種設(shè)計(jì)智能動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)的技術(shù),這種智能動(dòng)態(tài)變形能力主要依賴(lài)于三維空間中智能材料在普通材料中的分布和組合方式[84,85],多軸打印技術(shù)將擺脫傳統(tǒng)的定向制造,為4D打印提供更佳靈活的智能材料分布,實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的智能構(gòu)件的變形。

(2)原位打印 原位打印是一種在缺損部位進(jìn)行修復(fù)的技術(shù),其通過(guò)對(duì)缺損變部位進(jìn)行掃描以獲得缺損部位數(shù)據(jù)后,在現(xiàn)場(chǎng)直接進(jìn)行打印。一般而言,缺損部位的結(jié)構(gòu)一般不是規(guī)則的形狀,傳統(tǒng)的打印系統(tǒng)不夠靈活,無(wú)法選擇性地在受損區(qū)域進(jìn)行打印。而多軸打印技術(shù)卻能夠容易的勝任這件任務(wù),如LI等[86]使用小型機(jī)械臂和雙光源噴嘴系統(tǒng)搭建了一種原位打印平臺(tái)(四自由度),能夠打印曲面形狀的結(jié)構(gòu),并可在外科手術(shù)中直接應(yīng)用。

(3)線框打印 在需要快速迭代的設(shè)計(jì)領(lǐng)域中(如人體工程學(xué)匹配),當(dāng)前的3D打印技術(shù)的制造速度仍不能使設(shè)計(jì)者滿(mǎn)意,因此MUELLER等[87]提出了線框打印。近年來(lái),該技術(shù)也受到廣大學(xué)者的關(guān)注。復(fù)雜線框模型打印要求打印機(jī)能夠進(jìn)行任意三維運(yùn)動(dòng),如果按照傳統(tǒng)的定向制造方式,可能會(huì)導(dǎo)致打印機(jī)構(gòu)和已完成部分的結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞[88]。通過(guò)多自由機(jī)器人與規(guī)劃算法結(jié)合,將能夠輕松地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜線框模型的無(wú)碰撞打印。

(4)混合制造 多軸3D打印的零件通常具有較低的精度以及不令人滿(mǎn)意的表面質(zhì)量[89-90]。因此,有必要在縮短生產(chǎn)時(shí)間的同時(shí),提高制造零件的表面質(zhì)量。目前,已經(jīng)有學(xué)者使用機(jī)器人,對(duì)增材制造和減材制造混合工藝進(jìn)行了研究,以此實(shí)現(xiàn)兩種工藝的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。通過(guò)引入換刀機(jī)構(gòu),機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)混合制造。機(jī)器人使用打印噴頭可以執(zhí)行增材制造步驟,而通過(guò)換刀機(jī)構(gòu)使用切削刀具來(lái)實(shí)現(xiàn)減材制造。此外,這種混合工藝不止于增材和減材制造,也可以與其它的一些工藝相結(jié)合,例如,QI等[91]和HAO等[92]結(jié)合傳統(tǒng)的鑄造工藝和金屬微滴噴射打印,提出了一種不同的混合打印工藝。如圖30所示,該工藝首先將均勻的液滴沉積在能夠旋轉(zhuǎn)的可溶型芯上,打印完成后將型芯溶解可以獲得具有高質(zhì)量?jī)?nèi)表面的管,其內(nèi)表面粗糙度可達(dá)4.38 μm。

5 結(jié)束語(yǔ)

多軸3D打印技術(shù)作為傳統(tǒng)3D打印技術(shù)的擴(kuò)展,有效地解決了傳統(tǒng)3D打印存在的一些問(wèn)題。沿模型的表面特征對(duì)高曲率零件進(jìn)行打印,可以消除零件的階梯效應(yīng),從而提高零件的表面質(zhì)量;通過(guò)多自由度機(jī)器人在打印過(guò)程中改變零件的構(gòu)造方向,從而實(shí)現(xiàn)懸垂結(jié)構(gòu)的無(wú)支撐打印;對(duì)零件進(jìn)行受載分析并提取應(yīng)力線,沿應(yīng)力線對(duì)零件進(jìn)行打印可以提高3D打印零件的力學(xué)性能;對(duì)打印機(jī)添加移動(dòng)基座和多自由度無(wú)人機(jī)的使用將幫助3D打印技術(shù)突破尺寸限制,實(shí)現(xiàn)更大尺寸零件的制造。多軸3D打印技術(shù)是一門(mén)結(jié)合材料、力學(xué)、計(jì)算機(jī)、機(jī)器人學(xué)等學(xué)科的技術(shù),在各行業(yè)應(yīng)用時(shí),需要考慮行業(yè)本身打印結(jié)構(gòu)所需的特點(diǎn),再結(jié)合硬件與軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。硬件和軟件是多軸3D打印技術(shù)的支撐,多軸3D打印系統(tǒng)的發(fā)展需要注重硬件和軟件兩方面的創(chuàng)新。

多自由度機(jī)器人具有極大的靈活性,在多材料打印、原位打印、線框打印以及混合制造等領(lǐng)域?qū)⒕哂芯薮蟮臐撛趹?yīng)用前景。然而目前多軸3D打印技術(shù)的研究還處在初級(jí)探索階段,仍然有許多問(wèn)題等待研究者們?nèi)ソ鉀Q。