研究员开发出无需使用支撑结构的多轴机器人3D打印系统

为期五天的世界上最大的计算机图形和交互技术会议-SIGGRAPH 2018将于下周在温哥华启动。来自世界各地的许多研究团队在会上展示他们的最新项目成果，包括3D形状、增强现实、拓扑优化和3D扫描。今年，代尔夫特理工大学（TU Delft）也展示了新项目的研究成果。

由代尔夫特理工大学设计工程系先进制造教授兼主席Charlie CL Wang博士领导的研究团队发表了一篇论文，标题为“Support-Free Volume Printing by Multi-Axis Motion”，并在论文中概述了最新研究成果。 据悉，该论文将于最近在ACM Transactions on Graphics期刊上发表。

代尔夫特理工大学研究人员与中国清华大学和法国计算机科学与自动化研究所（INRIA）的研究人员合作，并在这篇论文中解释了团队如何开发出一种新的机器人3D打印技术，该技术能够自动创建用于制造刀具路径的一个没有使用支撑结构的3D模型。

论文摘要写道：“本文介绍了一种在配备多轴运动的机器人打印系统上制作3D模型的新方法。材料沿着弯曲的刀具路径堆积在构建室内，以便减少模型对支撑结构的需求。我们针对来自多轴3D打印的刀具路径规划挑战的策略是执行两个连续的分解，即首先进行体积到表面，然后是曲面到曲线。体积与表面之间的分解是通过优化体积内表面制造顺序的标量场来实现的。该字段受到限制，使得其等值代表从下面支撑的曲面层，并呈现凸面以提供打印头的无碰撞导航。在提取所有曲面图层之后，考虑到机器人打印系统的约束，曲面到曲线的分解用刀具路径覆盖它们。我们的方法成功地为具有大悬挑和高属性拓扑的3D打印模型生成刀具路径。我们在我们的机器人平台上编写了几个具有挑战性的案例来验证和展示其功能。”

Wang教授解释说，合作研究团队开发出了世界上第一种能够监控机器人系统的算法，该系统通过使用弯曲的3D刀具路径来制作一般的实体模型。

研究团队在该论文还阐述道，大多数商业3D打印系统实际上使用2.5D制造，其中材料沿着固定方向在平面上逐层堆积，这降低了开发成本和复杂性，但使得支撑结构的使用成为必要。

没有人真的想要处理支撑结构-一旦你的3D打印物脱离了打印平台，将它们移除是一件麻烦的事情。但机器人3D打印系统具有更多的运动自由度，并且实际上可以改变打印过程中材料积聚的方向。

研究人员在论文中写道：“在本文中，我们提出了一种新的方法来解决多轴AM刀具路径生成的挑战。我们的技术基于这样的观察，首先，通过将体积分解成曲面层次序列，然后将每个曲面分解成曲线刀具路径，可以连续减少问题的维数。我们的算法搜索无碰撞的累积序列，确保始终支持材料沉积，并且可以尽可能地打印所有区域。考虑到硬件限制，曲面图层会覆盖工具路径。”

据悉，论文的共同作者包括代尔夫特的Chengkai Dai、Wang教授；清华大学的Chenming Wu；INRIA的Sylvain Lefebvre；代尔夫特大学的Guoxin Fang；清华大学的Yong-Jin Liu。