研究人員開(kāi)發(fā)體積3D打印自動(dòng)曝光系統(tǒng)，顯著提升打印精度和速度

2025年5月20日，南極熊獲悉，加拿大國(guó)家研究委員會(huì)和維多利亞大學(xué)的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種用于斷層掃描體積增材制造 (VAM) 的全自動(dòng)曝光控制系統(tǒng)。VAM 是一種利用旋轉(zhuǎn)樹(shù)脂槽內(nèi)投射的光圖案一次性制造完整物體的技術(shù)，自動(dòng)曝光系統(tǒng)顯著提高了這項(xiàng)工藝的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。

研究結(jié)果以題為“Automatic exposure volumetricadditive manufacturing”的論文已發(fā)布在arXiv 上的一份未經(jīng)同行評(píng)審的預(yù)印本上。這項(xiàng)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)免提打印，特征分辨率與商用 SLA 和 DLP 打印機(jī)相當(dāng)或更高，同時(shí)打印部件的速度最高可提高十倍。

論文鏈接：https://doi.org/10.48550/arXiv.2501.09332

新系統(tǒng)名為 AE-VAM（自動(dòng)曝光體積增材制造），通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控樹(shù)脂內(nèi)部的光散射，自動(dòng)終止打印過(guò)程中的曝光。這消除了手動(dòng)調(diào)整的需要，而手動(dòng)調(diào)整此前限制了 VAM 的一致性和商業(yè)可行性。

研究人員通過(guò)打印25次廣泛使用的3DBenchy模型來(lái)演示他們的系統(tǒng)。AE-VAM實(shí)現(xiàn)了0.100毫米的平均RMS表面偏差和0.053毫米的打印間偏差。值得注意的是，所有精細(xì)特征，包括盲孔、煙囪和底部文字，均被成功復(fù)制，在某些關(guān)鍵方面優(yōu)于商用SLA和DLP系統(tǒng)的打印效果。

△AE-VAM系統(tǒng)示意圖，利用光散射測(cè)量實(shí)時(shí)確定最佳曝光終點(diǎn)。圖片來(lái)自加拿大國(guó)家研究委員會(huì)/維多利亞大學(xué)的 Antony Orth 等人

從實(shí)驗(yàn)室到潛在生產(chǎn)

斷層掃描VAM與傳統(tǒng)3D打印的不同之處在于，它一次性曝光整個(gè)樹(shù)脂體積，而不是逐層曝光。雖然這可以加快打印速度并消除支撐結(jié)構(gòu)，但由于樹(shù)脂重復(fù)使用和光擴(kuò)散，之前的實(shí)現(xiàn)方案存在曝光量難以預(yù)測(cè)的問(wèn)題，通常需要經(jīng)驗(yàn)豐富的操作員并頻繁進(jìn)行重新校準(zhǔn)。

AE-VAM 通過(guò)使用簡(jiǎn)單的光學(xué)反饋系統(tǒng)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，可在固化過(guò)程中測(cè)量散射的紅光。當(dāng)測(cè)量信號(hào)達(dá)到校準(zhǔn)閾值時(shí)，紫外線照射會(huì)自動(dòng)停止。據(jù)作者稱(chēng)，這使得該工藝“不受幾何形狀的影響”，并且適用于多部件組裝打印，例如齒輪系統(tǒng)和螺紋部件。

邁向商業(yè)化 VAM

研究團(tuán)隊(duì)將 AE-VAM 與Formlabs Form 2、Form 4 和 AsigaPRO4K 進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試。雖然 Form 2 的精度略高（0.081毫米 RMS 誤差），但 AE-VAM 在小特征復(fù)制和一致性方面表現(xiàn)更佳，尤其是在重復(fù)使用樹(shù)脂的情況下。打印系統(tǒng)在不到一分鐘的時(shí)間內(nèi)打印出相同的 3DBenchy 模型，而最快的 SLA 系統(tǒng)則需要超過(guò) 8 分鐘。

作者寫(xiě)道：“AE-VAM 的重復(fù)性和精度規(guī)格在商用系統(tǒng)的測(cè)量范圍內(nèi)�！� 并指出，它還能使樹(shù)脂重復(fù)使用多達(dá)五次，且降解程度極低。他們預(yù)計(jì)，使用不同樹(shù)脂對(duì) A​​E-VAM 進(jìn)行更廣泛的測(cè)試，可以使技術(shù)更接近商業(yè)化。研究團(tuán)隊(duì)指出，這種方法計(jì)算量小，適用于通用用途，只需極少的操作員培訓(xùn)。

這項(xiàng)工作由加拿大國(guó)家研究委員會(huì)的“創(chuàng)意計(jì)劃”（Ideation program）資助。多位作者被列為與打印系統(tǒng)相關(guān)的臨時(shí)專(zhuān)利的發(fā)明人。

△AE-VAM打印的機(jī)械部件：一個(gè)功能齊全的 ¼-20 螺釘和螺母，以及一個(gè)公差為 50 μm 的齒輪組件。這些部件也可以與標(biāo)準(zhǔn)金屬硬件配合使用。圖片來(lái)自 Antony Orth 等人，加拿大國(guó)家研究委員會(huì)/維多利亞大學(xué)。

體積 3D 打印在研究和工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁

近年來(lái)，體積增材制造 (VAM) 作為一種快速、無(wú)支撐的傳統(tǒng)分層 3D 打印替代方案，引起了越來(lái)越多的關(guān)注。此前，VAM 的進(jìn)展包括Manifest Technologies（前身為 Vitro3D）推出的旨在實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用的高速 P-VAM 評(píng)估套件，以及EPFL演示的使用體積技術(shù)進(jìn)行不透明樹(shù)脂打印。

△胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（TPMS）帶測(cè)量功能。圖片來(lái)自 Manifest Technologies。

與此同時(shí)，烏得勒支大學(xué)的研究人員利用體積生物打印技術(shù)制造用于再生醫(yī)學(xué)的微型肝臟模型，倫敦大學(xué)學(xué)院則探索了快速載藥片劑的制造。最近，斷層掃描 VAM 的全息變體(TVAM) 顯示出縮短打印時(shí)間和提高光效率的潛力。這些發(fā)展凸顯了體積 3D 打印技術(shù)的廣泛適用性和不斷加快的創(chuàng)新步伐。