再登Nature子刊！新型全息斷層體積增材制造技術(shù)，光投射效率提高超20倍
時間：2025-02-17 11:36 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
導(dǎo)讀：傳統(tǒng) 3D 打印機(jī)一般是通過沉積材料層來工作，而斷層體積增材制造 (TVAM) 技術(shù)則需要用激光照射旋轉(zhuǎn)的樹脂槽，直到樹脂變硬，此時累積的能量超過某個閾值。TVAM 的一個優(yōu)點是它可以在幾秒鐘內(nèi)生產(chǎn)出物體，而基于層疊加的 3D 打印則需要大約 10 分鐘。然而，它也非常低效，因為只有大約 1% 的編碼光到達(dá)樹脂以產(chǎn)生所需的形狀。
2025年2月15日，由 Christophe Moser 教授領(lǐng)導(dǎo)的 EPFL 應(yīng)用光子器件實驗室和由 Jesper Glückstad 教授領(lǐng)導(dǎo)的 SDU 光子工程中心的研究人員推出一種新的體積增材制造方法—HoloTile，憑借新技術(shù)能夠高效率制造高保真的 3D 打印物體。相關(guān)研究以題為“Holographic tomographicvolumetricadditive manufacturing”的論文發(fā)表在《自然通訊》雜志上。
新的TVAM 方法可顯著減少制造物體所需的能量，同時提高分辨率。技術(shù)原理是將形狀的三維全息圖投射到旋轉(zhuǎn)的樹脂瓶上，與傳統(tǒng)的 TVAM（將信息編碼在投射光波的振幅（高度）中）不同，全息方法利用了它們的相位或位置。
△全息體積增材制造的光學(xué)配置。
這一小小改變卻帶來大影響，Moser表示：“所有像素輸入都有助于形成所有平面的全息圖像，這為我們帶來了更高的光效率以及最終 3D 物體的更好空間分辨率，因為投影的圖案可以在投影深度中進(jìn)行控制。”在最近發(fā)表的研究中，研究團(tuán)隊在不到 60 秒的時間內(nèi)以極高的精度打印出了復(fù)雜的 3D 物體，如微型船、球體、圓柱體和藝術(shù)品，而且使用的光功率比之前的研究少了 25 倍。
△使用 HoloVAM 的 3D 打印對象示例。
全息圖是使用一種名為 HoloTile 的技術(shù)生成，由 Glückstad 教授發(fā)明。HoloTile 涉及疊加所需投影圖案的多個全息圖，并消除了稱為散斑噪聲的隨機(jī)光干擾，否則會產(chǎn)生顆粒狀圖像。盡管之前已經(jīng)報道過全息體積增材制造，但 EPFL-SDU 聯(lián)合團(tuán)隊的方法是第一個產(chǎn)生這種高保真 3D 打印物體的方法，這在很大程度上要歸功于 HoloTile 的使用。
EPFL 學(xué)生兼主要作者 MariaIsabel Alvarez-Castaño 解釋說，全息方法的另一個獨特之處在于，全息光束可以“自我修復(fù)”——這意味著它們可以穿過樹脂傳播，而不會被小顆粒拋離軌道。這種自我修復(fù)特性對于使用載有細(xì)胞的生物樹脂和水凝膠進(jìn)行 3D 打印至關(guān)重要——這使得該方法適用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。
Alvarez-Castaño 表示：“我們有興趣利用我們的方法來構(gòu)建生物結(jié)構(gòu)的 3D 復(fù)雜形狀，從而讓我們能夠進(jìn)行生物打印，例如組織或器官的真人大小的模型。”
展望未來，研究團(tuán)隊的目標(biāo)是將該方法的效率再提高一倍。Moser 表示，通過一些計算增強(qiáng)，最終目標(biāo)是使用全息體積增材制造技術(shù)構(gòu)建物體，只需將全息圖投射到樹脂上，而無需旋轉(zhuǎn)它。這可以進(jìn)一步簡化體積增材制造，并增加大批量、節(jié)能制造工藝的潛力�？梢允褂脴�(biāo)準(zhǔn)商用設(shè)備對全息圖進(jìn)行編碼這一事實增加了該方法的實用性。
Moser 表示：“TVAM 技術(shù)的全息添加為下一代高效、精確、快速的體積增材制造系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。”
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