北航研究人員開發(fā)新的體積3D打印投影策略，可實(shí)現(xiàn)10倍超快速、無支撐打印

2025年7月29日，南極熊獲悉，北京航空航天大學(xué)和香港理工大學(xué)的研究人員推出了一種新的 3D 打印技術(shù)，可顯著減少制造復(fù)雜物體所需的時(shí)間和光投影次數(shù)。研究團(tuán)隊(duì)所開發(fā)的新方法名為稀疏視圖輻照加工體積增材制造（SVIP-VAM），將結(jié)構(gòu)重建所需的投影數(shù)量從一千多個(gè)減少到僅需15個(gè)。

相關(guān)研究以題為“Sparse-view irradiation processingvolumetric additive manufacturing”的論文發(fā)表在《國際極限制造雜志》上，西安電子科技大學(xué)和常熟理工學(xué)院也參與了這項(xiàng)研究。

論文鏈接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2631-7990/adebbf

研究負(fù)責(zé)人王慧媛博士表示，體積增材制造 (VAM) 通過一次性固化結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了更快且無需支撐的打印。然而，傳統(tǒng)的 VAM 需要數(shù)百甚至數(shù)千次光投影，并且需要大量的計(jì)算時(shí)間來準(zhǔn)備。這些步驟減慢了打印速度，并限制了技術(shù)的應(yīng)用范圍。

△SVIP-VAM系統(tǒng)。圖片來自北京航空航天大學(xué)

在不犧牲細(xì)節(jié)的情況下減少投影

為了克服這一難題，研究人員從醫(yī)學(xué)成像中汲取靈感。稀疏視圖計(jì)算機(jī)斷層掃描 (CT) 等技術(shù)能夠在不犧牲質(zhì)量的情況下減少投影數(shù)量。應(yīng)用類似的原理，他們發(fā)現(xiàn)只需 8 個(gè)投影即可重建物體的外形。對(duì)于更精細(xì)的模型，只需 15 個(gè)投影即可高精度地完成結(jié)構(gòu)重建。

這項(xiàng)突破的關(guān)鍵在于一種名為奇偶（OE）輻照的全新投影策略。傳統(tǒng)方法采用等間距投影，通常會(huì)收集重疊信息。相比之下，OE 方法會(huì)調(diào)整角度以減少重復(fù)，使每個(gè)投影更有意義。模擬結(jié)果表明，這不僅提高了打印精度，還提高了流程效率，尤其是在使用較少投影的情況下。

為了測(cè)試投影系統(tǒng)，團(tuán)隊(duì)打印了各種形狀。立方體僅用四個(gè)投影打印，而圓柱體和球體則需要八個(gè)。更精細(xì)的模型，包括一個(gè)名為“思想者”的人形，則用12或15個(gè)投影完成，與用360度投影打印的模型非常相似。使用標(biāo)準(zhǔn)圖像比較工具對(duì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，在所有情況下，使用15個(gè)投影的打印件在結(jié)構(gòu)相似度和圖像質(zhì)量方面的得分均超過0.9。

除了減少投影數(shù)量外，SVIP-VAM還大幅縮短了計(jì)算時(shí)間。生成 1,440 個(gè)投影所需的光圖案耗時(shí)超過一小時(shí)。而SVIP-VAM僅使用 15 個(gè)投影完成相同過程僅需約七分鐘，速度提升近十倍。每個(gè)投影的效率也提高了 60 多倍。對(duì)于更簡(jiǎn)單的打印件，效率提升甚至更高，最高可達(dá) 125 倍。

研究人員構(gòu)建了一個(gè)定制裝置來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。它包括一個(gè)405納米LED光源、一個(gè)數(shù)字微鏡裝置、一組透鏡和一個(gè)懸浮在折射率匹配液體中的樹脂槽。一臺(tái)攝像頭實(shí)時(shí)監(jiān)控打印過程，并測(cè)試了兩種不同類型的樹脂，以驗(yàn)證系統(tǒng)的靈活性。

打印完成后，將打印件放入異丙醇中，用超聲波清洗，然后在紫光下固化。最終打印件展現(xiàn)出良好的結(jié)構(gòu)完整性和精細(xì)的細(xì)節(jié)。其中，花瓶蓋模型以其精確度脫穎而出，壁厚薄至130微米。

研究證實(shí)，SVIP-VAM 在不影響質(zhì)量的情況下減少了體積 3D 打印中的光投影次數(shù)和計(jì)算時(shí)間，有可能擴(kuò)大在醫(yī)療設(shè)備、組織工程和航空航天等速度至關(guān)重要的領(lǐng)域的應(yīng)用。

△稀疏視圖投影重建。圖片來自北京航空航天大學(xué)。

縮放體積3D打印研究

在北航以外，針對(duì)速度、分辨率和自動(dòng)化方面的不同瓶頸，人們一直在努力改善體積3D打印中的曝光控制和光傳輸。

兩個(gè)月前，加拿大國家研究委員會(huì)和維多利亞大學(xué)的研究人員開發(fā)了AE-VAM，這是一種用于斷層掃描體積3D打印的全自動(dòng)曝光控制系統(tǒng)。通過實(shí)時(shí)跟蹤光散射，控制系統(tǒng)可以精確地結(jié)束紫外線曝光，無需手動(dòng)調(diào)整，從而提高了一致性和可重復(fù)性。

在使用 3DBenchy 模型的測(cè)試中，AE-VAM 實(shí)現(xiàn)了精細(xì)的特征再現(xiàn)，平均 RMS 表面偏差為 0.100 毫米，性能與商用 SLA 和 DLP 打印機(jī)相當(dāng)甚至更勝一籌。此外，它的打印速度提高了十倍，并支持樹脂重復(fù)使用，為實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展、免提體積打印提供了一條切實(shí)可行的途徑。

此外，洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院(EPFL) 的研究人員開發(fā)了一種緊湊、高效的全息斷層掃描體積增材制造 (HT-VAM) 系統(tǒng)，采用基于 MEMS 的純相位光調(diào)制器。通過取代舊的微鏡技術(shù)，他們實(shí)現(xiàn)了 70 倍以上的光效率提升，并降低了通常會(huì)影響打印質(zhì)量的圖像噪聲。

HT-VAM投射多個(gè)移位全息圖，以最大限度地減少偽影，并在整個(gè)打印過程中保留清晰的細(xì)節(jié)。使用低功率紫外激光器，它可在32秒內(nèi)快速打印出4毫米螺旋形螺絲刀等復(fù)雜部件，并在一分鐘多一點(diǎn)的時(shí)間內(nèi)打印出8毫米斯坦福兔子，展現(xiàn)出在先進(jìn)領(lǐng)域進(jìn)行精準(zhǔn)高速打印的巨大潛力。