多色、多材料、多尺度工艺结构 3D 打印技术的实现方法

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　　传统的面向制造与装配设计 [13](design for manufacturing, DFM) 方法目的在于设计出的产品易于制造和装配, 从而缩短开发周期、降低产品成本. 3D 打印技术使得产品的外形不再是制造的难点,因此, 为了达到高性能, 产品往往几何外形复杂, 导致模型特征数量陡增; 另外, 包括从宏观到微观的工艺结构的设计, 都是传统 CAD 技术无法实现的 [14].
　　传统 CAD 技术及软件仍然主要针对单材均质模型设计优化: 设计方法上以边界表示 (boundary representation, B-Rep)和构造表示(constructivesolid geometry, CSG) 技术为主导, 侧重复杂形貌特征的表面建模, 而 CSG 技术仅适用于相对简单形状的实体建模, 难以有效地设计和表达复杂的功能梯度材料制件的材料配比变化及多尺度工艺结构特征, 仅仅依靠多个均质模型之间的装配来表达复杂模型将大大增加设计的复杂度且限制了模型的可表达范围, 缺乏有效的能表达上述信息的 3D 模型数据交换标准.

　　为了充分发挥 3D 打印技术的优势, 促进 3D 打印技术的快速发展, 美国材料与试验协会 2011年提出了新的增材制造文件格式 (additive manufacturing file format, AMF[15]), 基于可扩展标记语言(extensible markup language, XML), 弥补了 CAD 数据和现代的 3D 打印技术之间的差距. 相比原来的 (stereolithography, STL) 格式, 克服了其精度不高、数据冗余大、工艺信息缺失、文件体积庞大、读取缓慢等缺点, 同时引入了曲面三角形、颜色贴图、异质材料、功能梯度材料、微结构、排列方位等高级概念. 其中, 曲面三角形能够大幅提升模型的精度, 其是利用各个顶点法线或切线方向来确定曲面曲率的, 在进行数据处理切片时, 曲面三角形可进行细分, 便于获得理想精度. 不同区域的材料成分表达是通过空间点坐标公式来表述的, 按常数比例混合的材料即为均质材料, 按坐标值线性变化的比例即为梯度材料, 还可表达非线性梯度材料. 当材料比例被赋为 \0" 时, 即表示该处为孔洞.
　　颜色元素指定 sRGB 色彩空间内的红、绿、蓝以及透明度值, 且小区域的颜色属性将覆盖大区域颜色属性. 因此,AMF 格式包含的工艺信息更全、文件体积更小、模型错误更少, 使得 3D 打印过程中使用起来更加方便, 模型设计过程也更加轻松.要实现全信息的 3D 打印, 首先需要设计出包含这些信息的三维实体模型, 然后通过数据处理、工艺规划等, 最后进行 3D 打印. 然而, 由于 AMF 模型文件的设计与传统仅仅表达几何外形的设计方法差异较大, 还没有出现能支持 AMF 格式完整功能的相关设计工具, 无法提供全工艺信息的数据来源,3D 打印软件也无法对 AMF 文件的全部信息予以支持.面向 3D 打印设计 [14] (design for addictive manufacturing, DFAM) 方法, 与 DFM 方法不同, 这种新的设计方法旨在综合设计产品的外观、多尺度结构以及材料, 以达到产品性能的最优化设计. 一体化的设计方法不但可以减少部件数量、避免装配问题, 还能提高产品综合性能, 定制化的设计能满足用户需求, 设计过程中也无需考虑传统加工方法的限制, 真正实现了产品的材料、工艺、结构的一体化自由设计.
　　美国航天军工 Aerojet Rocketdyne 公司使用 3D 打印技术制造了一台完整的发动机, 并成功通过测试, 一台典型的同类发动机需要几十个不同的零件组成, 而这台发动机的零部件被合并至只有三个, 包括喉部和喷嘴部、喷油器和圆顶组件、燃烧室. 设计和制造过程只用了几个月, 以往需要大约一年的时间, 成本节约了65%.要实现 DFAM 方法的前提是要掌握材料、工艺、结构一体化的建模方法. 材料建模的目的是定义几何区域内的材料分布情况, 为满足 3D 打印技术对于材料建模的需求, 需要做大量研究工作.
　　杨继全等 [16] 通过引入描述各材料物理特征的材料分布特征值、各材料的体分量和材料分布向量, 对材料切片内的特征节点进行材料赋值, 并对节点间的材料进行插值运算, 层层遍历赋值, 从而实现了对异质材料零件中任意点结构与材料信息的表述. 吴晓军等 [17] 提出了一种基于体素模型的功能梯度材料/零件建模方法. Biswas 等 [18] 提出一种采用反距离加权法进行空间参数化方法来表征材料成分变化.为支撑 3D 打印技术进行多尺度工艺结构的成形, 在建模过程中完成对模型微观结构的描述十分重要. Olson[19] 把系统工程思想引入到材料设计和结构制造过程中, 提出了多层次结构的计算机辅助设计技术, 认为材料设计、结构制造是一个系统工程, 不同尺度下的组织结构决定了其各自的性能特点, 而且工艺、组织、性能之间关系的良好集成能够实现多尺度结构设计的概念。