北航研究人员开发新的体积3D打印投影策略，可实现10倍超快速、无支撑打印

2025年7月29日，南极熊获悉，北京航空航天大学和香港理工大学的研究人员推出了一种新的 3D 打印技术，可显著减少制造复杂物体所需的时间和光投影次数。研究团队所开发的新方法名为稀疏视图辐照加工体积增材制造（SVIP-VAM），将结构重建所需的投影数量从一千多个减少到仅需15个。

相关研究以题为“Sparse-view irradiation processingvolumetric additive manufacturing”的论文发表在《国际极限制造杂志》上，西安电子科技大学和常熟理工学院也参与了这项研究。

论文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2631-7990/adebbf

研究负责人王慧媛博士表示，体积增材制造 (VAM) 通过一次性固化结构，实现了更快且无需支撑的打印。然而，传统的 VAM 需要数百甚至数千次光投影，并且需要大量的计算时间来准备。这些步骤减慢了打印速度，并限制了技术的应用范围。

△SVIP-VAM系统。图片来自北京航空航天大学

在不牺牲细节的情况下减少投影

为了克服这一难题，研究人员从医学成像中汲取灵感。稀疏视图计算机断层扫描 (CT) 等技术能够在不牺牲质量的情况下减少投影数量。应用类似的原理，他们发现只需 8 个投影即可重建物体的外形。对于更精细的模型，只需 15 个投影即可高精度地完成结构重建。

这项突破的关键在于一种名为奇偶（OE）辐照的全新投影策略。传统方法采用等间距投影，通常会收集重叠信息。相比之下，OE 方法会调整角度以减少重复，使每个投影更有意义。模拟结果表明，这不仅提高了打印精度，还提高了流程效率，尤其是在使用较少投影的情况下。

为了测试投影系统，团队打印了各种形状。立方体仅用四个投影打印，而圆柱体和球体则需要八个。更精细的模型，包括一个名为“思想者”的人形，则用12或15个投影完成，与用360度投影打印的模型非常相似。使用标准图像比较工具对结果进行评估，在所有情况下，使用15个投影的打印件在结构相似度和图像质量方面的得分均超过0.9。

除了减少投影数量外，SVIP-VAM还大幅缩短了计算时间。生成 1,440 个投影所需的光图案耗时超过一小时。而SVIP-VAM仅使用 15 个投影完成相同过程仅需约七分钟，速度提升近十倍。每个投影的效率也提高了 60 多倍。对于更简单的打印件，效率提升甚至更高，最高可达 125 倍。

研究人员构建了一个定制装置来进行实验。它包括一个405纳米LED光源、一个数字微镜装置、一组透镜和一个悬浮在折射率匹配液体中的树脂槽。一台摄像头实时监控打印过程，并测试了两种不同类型的树脂，以验证系统的灵活性。

打印完成后，将打印件放入异丙醇中，用超声波清洗，然后在紫光下固化。最终打印件展现出良好的结构完整性和精细的细节。其中，花瓶盖模型以其精确度脱颖而出，壁厚薄至130微米。

研究证实，SVIP-VAM 在不影响质量的情况下减少了体积 3D 打印中的光投影次数和计算时间，有可能扩大在医疗设备、组织工程和航空航天等速度至关重要的领域的应用。

△稀疏视图投影重建。图片来自北京航空航天大学。

缩放体积3D打印研究

在北航以外，针对速度、分辨率和自动化方面的不同瓶颈，人们一直在努力改善体积3D打印中的曝光控制和光传输。

两个月前，加拿大国家研究委员会和维多利亚大学的研究人员开发了AE-VAM，这是一种用于断层扫描体积3D打印的全自动曝光控制系统。通过实时跟踪光散射，控制系统可以精确地结束紫外线曝光，无需手动调整，从而提高了一致性和可重复性。

在使用 3DBenchy 模型的测试中，AE-VAM 实现了精细的特征再现，平均 RMS 表面偏差为 0.100 毫米，性能与商用 SLA 和 DLP 打印机相当甚至更胜一筹。此外，它的打印速度提高了十倍，并支持树脂重复使用，为实现可扩展、免提体积打印提供了一条切实可行的途径。

此外，洛桑联邦理工学院(EPFL) 的研究人员开发了一种紧凑、高效的全息断层扫描体积增材制造 (HT-VAM) 系统，采用基于 MEMS 的纯相位光调制器。通过取代旧的微镜技术，他们实现了 70 倍以上的光效率提升，并降低了通常会影响打印质量的图像噪声。

HT-VAM投射多个移位全息图，以最大限度地减少伪影，并在整个打印过程中保留清晰的细节。使用低功率紫外激光器，它可在32秒内快速打印出4毫米螺旋形螺丝刀等复杂部件，并在一分钟多一点的时间内打印出8毫米斯坦福兔子，展现出在先进领域进行精准高速打印的巨大潜力。