3D打印发展趋势及前景分析.docx

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1、3D打印发展趋势及前景分析feigeoer3D打印与其相关学科的交叉研究是近年来的热门趋势，其中生物打印与机器人打印前景最为广阔。1生物3D打印生物3D打印是将打印的墨水改成含有活细胞的混合物，从而构建活体组织器官。目前生物3D打印更多的是应用于硬组织的仿生重建和新型给药装置的制备，但具有生物活性、更复杂的组织器官的重建还处于探索阶段。目前生物打印技术包括直接喷墨、激光、声波和阀门控制挤压等4种不同的打印方式。这些技术在通过改进原有的3D打印技术，来确保生物材料和细胞的活性。目前生物打印的应用主要有生物活性支架的3D打印，与细胞参与的生物3D打印两个方面。生物活性支架的3D打印，利用生物相容性

2、和生物可降解性的打印材料，与高精度高定制化的模型，打印出具有很好仿生硬组织和非血管组织。如2012年荷兰一家医院的金属下颌骨植入手术，是世界首例3D打印技术的临床应用。其通过对患者已缺损的下颌骨进行模拟，最后用3D打印机进行输出,可以得到患者特异的骨骼。打印的骨骼可以保留一些间隙利于周围细胞或神经的爬贴,并且可以特异性地与发声器官相互作用,不会影响听力和发音。为了将来能够直接通过3D打印构造出组织器官，很多3D打印的支架应用于细胞的培养，这为细胞和材料的共同打印奠定了基础。细胞在支架上可以存活，并且能够体现比正常二维培养更好的功能。多聚己内酯（P1OyCaPrOIaCtone,简称PCD作为生

3、物打印支架已经可以用于多种细胞的培养。但是这也仅是细胞与支架的二维结合，并没有将材料与细胞进行充分的结合和互作，将来的组织打印也需要将细胞包埋于支架中，这样才能防止细胞的非定向扩散。细胞参与的生物3D打印，理论上可以通过打印技术喷出含有活细胞的特殊材料，逐层组装构建出具有细胞活性的组织器官。经典的组织工程技术是将细胞种植在已成型的三维材料上，即非直接细胞生物3D打印。水凝胶成为包裹细胞的首选，目前常用的水凝胶交联方法有物理交联和化学交联，特定波长光刺激和温度改变引起的交联方法被称为物理交联法，通过特定化合物或离子作用引起的交联称为化学交联法。目前的技术已经可以进行皮肤细胞的打印，并且细胞类型可

4、以进一步扩展到成体干细胞、内皮细胞和成纤维细胞等，打印之后可以看到细胞间的相互作用，这些成果为复杂组织打印做了准备。目前的B1ock-CeH-Printingv技术可以确保细胞的高效存活。细胞来源是生物3D打印面临的首要问题，这不仅涉及细胞的存活更涉及细胞的拓展、黏附和功能的发挥，而干细胞则可能解决以上问题。干细胞活力较高，可塑性强，并且在合适的环境下会分化为特定功能的细胞或发挥出相应的功能。这样可以减少打印过程中细胞的应用，节约打印时间，并且为器官的功能发挥创造了条件。也许在器官打印的过程中可以选择干细胞作为部分来源原料，但具体的比例需要进一步摸索。在确保细胞活力的基础上，生物3D打印面临的

5、重要问题就是如何实现打印后支架的功能，如何在支架中看到细胞间的相互作用及特定功能基因的表达。另外面临的主要问题是打印过程中的血管组织的布局和组装，任何一个器官都需要毛细血管网络来进行氧气、细胞因子和能量的供应，也需要进行废弃物的排放。2多自由度机器人3D打印机器人学的迅速发展打破了传统3D打印机的局限性，使3D打印技术能够更灵活地应用在各行各业，因此该问题成为了机器人学和先进制造学科交叉的一项研究热点。多自由度的打印模式允许更灵活的打印轨迹设计和更丰富的机构设计，可以用更优的方案解决传统3D打印技术支撑过多、模式单一、速度慢等问题。多自由度打印中的机器人学问题，主要是逆运动学求解与运动规划问题

6、。对于一个构型确定的机器人，逆运动学(InverseKinematiC,IK)指的是给定机器人末端的位置和姿态,反求出机器人各关节的位置或者角度。高效的逆运动学求解在机器人学中是一个比较成熟的问题，主要有解析法和数值法两类解法。运动规划(MotionP1anning)指的是在根据给定的三维数字模型计算出打印路径后，如何规划机器人手臂的运动来高效无碰撞并且以平滑的运动遍历打印路径、从而完成增材制造的过程。为了适用于高自由度的机器人(例如多自由度机器人手臂)，现代路径规划的一个重要发展是提出基于采样的路径规划算法，具体包括概率路径图法(Probabi1isticRoadMap,PRM)和快速扩展随

7、机树法(RaPidIy-EXPIoringRandomTrees,RRT)。目前机器人3D打印仍有许多不足：在机械结构层面，由于织造工差、测量误差、标定误差的存在导致机器人3D打印的精度仍存在相当误差；在算法层面，轨迹生成的运算量庞大,要在笛卡尔空间进行大量的插补计算,在计算的过程中还需要保证生成轨迹的平滑程度、插补误差控制等因素；受限于物理碰撞约束，机器人在3D打印的过程中仍有许多空间位置无法到达。2.1多自由度的无支撑打印充分利用三个自由度由于传统3D打印垂直逐层打印的特点，需要额外打印许多支撑结构，但支撑材料并非是一定需要的，由于其主要功能为抵消重力对悬空材料的影响，通过多自由度3D打印

8、技术在打印过程中改变打印方向，能够实现部分模型的无支撑打印。最近Ezair等人29提出可以根据模型的几何形状，生成更加符合其几何结构特点的空间曲线轨迹，该算法的本质是生成覆盖几何实体的曲线完全覆盖，同时算法需要能够满足3D打印过程中的约束，如喷头与已有模型的碰撞、支撑材料的生成问题等。该算法能够处理基于三元体(TrivariateVo1umes)表示和基于任意边界表示(B-rep)的任意几何模型的曲线打印路径覆盖问题，并且算法在传统三自由度笛卡尔3D打印机上得到了验证。根据模型几何特征进行切片是一种更加自然的切片方式，使用某个方向生成符合模型几何特征的打印路径进行打印，不仅能够提升打印模型的结

9、构强度，还可以提升打印细节的质量。基于体分割的无支撑打印Wu等人30提出了RoboFDM打印系统以实现无支撑熔融沉积式3D打印。该系统的硬件部分由一台六自由度UR机器人手臂和固定在悬臂梁的挤出机构成，机器人手臂的末端安装水平的打印平台供挤出的材料粘附，挤出机与机器人手臂的相对位置通过在欧氏空间采样机器人手臂有效工作范围来确定。在算法部分，作者提出了由粗到细的二阶段分割及相应的规划算法，从而实现无支撑打印。该算法首先通过提取3D模型的骨架对其进行粗分割,将复杂的三维模型用平面分割成几何结构简单、具有可行打印顺序的子模型集合，再使用含约束的细分割方法对子模型集合中所有不满足无支撑打印条件的模型进行

10、平面分割，最终生成可行的无支撑打印顺序用以打印。使用六自由度机器人手臂进行无支撑打印的方法大幅减少了材料浪费，提升了打印质量，加快了打印过程和后处理的速度。基于层分割的无支撑打印Dai等人31近期提出了基于曲线轨迹的多自由度机器人手臂无支撑打印系统，该系统提出了对一般模型生成无支撑切片并进一步生成供机器人手臂打印的路径算法。对于输入三维模型，系统首先将其分解成一系列有顺序、可制造的曲面层,这些曲面层需要满足均无碰撞和自支撑约束条件。由于在空间中搜索一系列满足约束的曲面层切片是一个连续搜索问题，利用现有搜索技术难以高效求解，因此作者通过对输入三维模型进行体素化，将打印空间轨迹近似为打印一系列体素

11、块，同时将曲面层需要满足的约束对应转化为体素需要满足的约束，使三维空间中的连续搜索问题离散化。作者通过在体素空间中定义“打印稳定邻域,(AM-Stab1e-Neighbors,ASN)对无支撑约束进行建模，通过计算已打印模型和工作平台的并集的凸包对无碰撞约束进行建模。作者提出了基于贪心策略的搜索算法，并在此基础上增加了阴影体素和逆剥离启发策略，大幅提升了算法搜索结果的质量。完成搜索后，作者使用对偶轮廓化方法将体素层转化为曲面层，最终在每个曲面层上生成连续费马螺旋轨迹供机器人手臂打印。2.2快速线框打印传统的打印方式多为“层积式”，即在Z轴方向上的下层打印完成后再打印上层。这种方法能够保证打印系

12、统在开环控制下的稳定性，且路径规划很直观、简单，避免了打印机和已打印模型的碰撞问题。但这种打印方式会生成许多冗余轨迹，冗余轨迹通常被称作旅行轨(trave11ingtrajectory),指的是打印机从一个打印路径行走到另一个打印路径的过程中的轨迹,过多的冗余轨迹将会大幅降低整个实体模型的打印速度。快速打印Samue1等人32提出提出了基于依赖图(DependencyGraPh)的搜索算法，核心思想是当模型特征在空间中相互之间的距离较远时，允许打印机在z方向上进行运动和打印，且机器运动轨迹与已打印模型是无碰撞的。它在无碰撞的前提下最小化旅行轨迹，进一步生成一个充分利用3D打印机三个自由度的打印

13、和运动路径。作者在他们提出的基于贪心算法的基础上，提出了基于局部搜索的路径规划算法，该方法首先提取模型上的轮廓，同时在这些轮廓上定义其开、闭属性用以描述打印机在此轮廓上运动的起点、终点是否一致。由于这些轮廓打印的先后顺序对能否无碰撞的打印是互相影响的，且打印机从开轮廓的起点运动到终点后是不允许逆向返回起点的，因此作者通过在轮廓生成的依赖图上应用局部搜索算法，从而高效生成一个较优的无碰撞路径。.线框打印Wu等人33的算法首先以碰撞条件作为约束进行搜索。算法首先从最后要打印的边开始“录厂模型，构造一个存在无碰撞打印方向的边的集合。接着算法将对这些约束编码成碰撞弧，从而构造一个有向图，其中每个节点都

14、表示一条边，且每一个碰撞弧都表示边的打印先后约束。随后，算法通过局部移除冗余碰撞弧以减少约束集的数量，提高了边排序数量的灵活性。最后，算法通过每次增加一部分边的迭代来对边进行排序。为了保证打印轮廓足够平滑，作者还在边上定义了一个损失函数，最小化新轮廓的损失问题等价于寻找一个曲面切分对偶图的最小割问题。保证每一个需要打的边必须与之前已经打印好的边连接，不在悬空的位置进行打印；在打印边时，打印机的机械部分不能与在该时刻之前打印的边的集合发生任何碰撞。2.3 包裹打印大部分设计迭代仅会改变模型的小部分,而主体部分或者占比较多的部分一般不需要进行大的改动。因此，如何在已打印好的主体模型上进一步的打印更

15、多几何特征是包裹打印领域研究的一个重要问题。同时，电子、光学元器件等其它有用的功能性模块与3D打印结合越来越紧密，通过多自由度机器人能够沿着多个方向，对这些功能性模块进行空间包裹式的打印。在单材料多自由度打印方向，Chen等人34提出了使用计算机数控(COmPUterNumerica1Contro11ed,CNC)多轴运动系统进行3D打印。作者提出的计算机数控机床累积制造打印方式基于S1A打印原理，即通过激光选择性固化光敏树脂，其与传统S1A打印方式最大的不同在于计算机数控机床累积制造系统的打印头是沉浸在光敏树脂液体中的。作者基于五自由度CNC原理设计了一台含有高功率紫外1ED(NichiaN

16、CSUo33A)的计算机数控机床累积制造原型，通过大量实验分析了计算机数控机床累积制造系统固化树脂的形状，分别分析了点、线固化情况力的模型，该计算机数控机床累积制造系统能够实现物体修复、修改，还可以在其它材料属性的物体上打印(BUik1ing-Around-Inserts)。此外还有Zhao等人35使用基于微机电系统(MEMS)的3D激光扫描系统设计了自动修复、修改打印物体系统;Zhao等人使用基于微机电系统(MEMS)的3D激光扫描系统设计了自动修复、修改打印物体系统；Song等人设计了一种成本较低且精度仍满足3D打印要求的Stewart平行运动机构用于多方向3D打印。在多材料多自由度打印方向，Peng等人36的研究了结合光原件、扬声器、水力机器人、用于触觉反馈的风动装置的五自由度FDM打印系统。该系统不仅能够实现普通FDM打印，还能够直接打印导电线。该机打印头包含两个可以围绕中心FDM挤出头