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

2025年5月20日，南極熊獲悉，加拿大國家研究委員會和維多利亞大學(xué)的團隊開發(fā)了一種用于斷層掃描體積增材制造 (VAM) 的全自動曝光控制系統(tǒng)。VAM 是一種利用旋轉(zhuǎn)樹脂槽內(nèi)投射的光圖案一次性制造完整物體的技術(shù)，自動曝光系統(tǒng)顯著提高了這項工藝的準確性和可重復(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)同行評審的預(yù)印本上。這項技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)免提打印，特征分辨率與商用 SLA 和 DLP 打印機相當或更高，同時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（自動曝光體積增材制造），通過實時監(jiān)控樹脂內(nèi)部的光散射，自動終止打印過程中的曝光。這消除了手動調(diào)整的需要，而手動調(diào)整此前限制了 VAM 的一致性和商業(yè)可行性。

研究人員通過打印25次廣泛使用的3DBenchy模型來演示他們的系統(tǒng)。AE-VAM實現(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，利用光散射測量實時確定最佳曝光終點。圖片來自加拿大國家研究委員會/維多利亞大學(xué)的 Antony Orth 等人

從實驗室到潛在生產(chǎn)

斷層掃描VAM與傳統(tǒng)3D打印的不同之處在于，它一次性曝光整個樹脂體積，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)，但由于樹脂重復(fù)使用和光擴散，之前的實現(xiàn)方案存在曝光量難以預(yù)測的問題，通常需要經(jīng)驗豐富的操作員并頻繁進行重新校準。

AE-VAM 通過使用簡單的光學(xué)反饋系統(tǒng)來解決這個問題，可在固化過程中測量散射的紅光。當測量信號達到校準閾值時，紫外線照射會自動停止。據(jù)作者稱，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

研究團隊將 AE-VAM 與Formlabs Form 2、Form 4 和 AsigaPRO4K 進行了對比測試。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)使用樹脂的情況下。打印系統(tǒng)在不到一分鐘的時間內(nèi)打印出相同的 3DBenchy 模型，而最快的 SLA 系統(tǒng)則需要超過 8 分鐘。

作者寫道：“AE-VAM 的重復(fù)性和精度規(guī)格在商用系統(tǒng)的測量范圍內(nèi)�！� 并指出，它還能使樹脂重復(fù)使用多達五次，且降解程度極低。他們預(yù)計，使用不同樹脂對 A​​E-VAM 進行更廣泛的測試，可以使技術(shù)更接近商業(yè)化。研究團隊指出，這種方法計算量小，適用于通用用途，只需極少的操作員培訓(xùn)。

這項工作由加拿大國家研究委員會的“創(chuàng)意計劃”（Ideation program）資助。多位作者被列為與打印系統(tǒng)相關(guān)的臨時專利的發(fā)明人。

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

體積 3D 打印在研究和工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展勢頭強勁

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

△胎壓監(jiān)測系統(tǒng)（TPMS）帶測量功能。圖片來自 Manifest Technologies。

與此同時，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。