SVIP-VAM僅需15次投影即可實現(xiàn)高質(zhì)量體積3D打印

來源：EFL生物3D打印與生物制造

使用三條空間內(nèi)相交的線可以實現(xiàn)空間內(nèi)點的確定，但是三束投影光卻難以實現(xiàn)復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的確定。斷層成像技術(shù)（Computed Tomography, CT）是一種極坐標(biāo)系下基于多角度投影數(shù)據(jù)重建三維圖像的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)影像和材料科學(xué)。其核心原理是通過從不同方向獲取對象的二維投影，利用數(shù)學(xué)方法還原對象的三維內(nèi)部結(jié)構(gòu)。基于該原理的體積增材制造技術(shù)（VAM）無需設(shè)計支撐，可以快速實現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)的打印。

VAM是一種無接觸的制造方式，投影光束的能量在料桶空間中累加使得結(jié)構(gòu)區(qū)域固化。這種過程在無重力的太空中更有優(yōu)勢，無需考慮結(jié)構(gòu)從開始固化和完全成型之間的沉降影響。并且，VAM可以有效解決太空中傳統(tǒng)層堆式打印沒有重力效應(yīng)束縛油墨界面的難點。由于傳統(tǒng)的VAM需要大量投影數(shù)據(jù)集，其計算時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于成型時間，使得整體的VAM制造過程很耗時，這對于具有時效性的生物組織類器官等的打印很不友好。鑒于此，北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院的李介博課題組在之前極坐標(biāo)線投影3D打印研究[Int. J. Extrem. Manuf. 2024, 6 045004]的基礎(chǔ)上，聯(lián)合西安電子科技大學(xué)陳雪利教授和香港理工大學(xué)溫燮文教授，提出稀疏視野輻照的體積增材制造方法（SVIP-VAM），使得VAM的投影數(shù)據(jù)量減少了近60倍，投影集計算時間降低了近10倍，整體制造時間降低近10倍，并在國際工程制造類頂級SCI期刊《Int. J. Extrem. Manuf.》（IF=21.3，JCR排名1/71）上發(fā)表了題為《Sparse-view irradiation processing volumetric additive manufacturing》的研究文章，其中北京航空航天大學(xué)的王匯元博士為論文第一作者。

圖1. SVIP-VAM系統(tǒng)示意圖

研究內(nèi)容
創(chuàng)新研究1：稀疏視圖照射處理體積增材制造（SVIP-VAM）方法與驗證

研究團(tuán)隊通過理論分析證明，僅需8次投影即可重建復(fù)雜結(jié)構(gòu)的輪廓信息。如圖2所示，無論是規(guī)則多邊形還是圓形結(jié)構(gòu)，通過半周范圍內(nèi)的稀疏投影都能準(zhǔn)確重建輪廓。這一發(fā)現(xiàn)為大幅減少投影次數(shù)提供了理論基礎(chǔ)。

圖2. 稀釋打印理論驗證

創(chuàng)新研究2：技術(shù)突破 - 奇偶輻照(OE)模式

研究團(tuán)隊提出了奇偶輻照模式，有效避免了傳統(tǒng)等距輻照(ED)模式下的信息冗余。如圖3所示，OE模式通過優(yōu)化投影角度分布，使8次投影即可達(dá)到傳統(tǒng)16次投影的效果，實現(xiàn)了投影效率的倍增。

圖3. 奇偶輻照（OE）模式示意圖

創(chuàng)新研究3：實際應(yīng)用驗證

稀疏投影技術(shù)顯著提升了單次投影效率。對于圓柱體等簡單結(jié)構(gòu)，僅需8次投影即可完成制造，而復(fù)雜結(jié)構(gòu)則可能需要更多次投影。通過仿真和實際打印研究評估了多種模型（齒輪、肺葉、大腦、熊、八分體和花瓶蓋）在不同稀疏投影數(shù)量下的打印效果。如圖4所示，盡管各模型曲線在15次投影前存在差異，但從8次投影開始趨于收斂，所有模型的定量指標(biāo)在15次投影時均增加至0.9以上�？傊�，在15個投影以上稀疏視野都可達(dá)到不錯的效果。

圖4. 15個投影的SVIP-VAM制造結(jié)構(gòu)展示

總結(jié)與展望
這項研究通過SVIP-VAM技術(shù)實現(xiàn)了體積3D打印領(lǐng)域的突破：

1.將傳統(tǒng)VAM所需的1000+次投影減少到15次左右

2.單次投影效率提升60倍以上

3.投影集計算時間減少近10倍

未來，研究團(tuán)隊計劃進(jìn)一步優(yōu)化材料體系和投影算法，使得無需轉(zhuǎn)動的體積增材制造技術(shù)成為可能。在之后的研究中可使用稀疏視野數(shù)量的投影源，固定在對應(yīng)輻照方位，只需同時輻照打印料桶，即可在無需相對運動的情況下完成結(jié)構(gòu)的制造。這一突破將為復(fù)雜環(huán)境下的原位制造提供可行方案，使其成為組織工程、醫(yī)療植入物、航空航天制造、空間站微重力生物制造等領(lǐng)域極具競爭力的候選技術(shù)。

文章來源：10.1088/2631-7990/adebbf