再登Nature子刊！新型全息斷層體積增材制造技術，光投射效率提高超20倍

導讀：傳統(tǒng) 3D 打印機一般是通過沉積材料層來工作，而斷層體積增材制造 (TVAM) 技術則需要用激光照射旋轉的樹脂槽，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% 的編碼光到達樹脂以產(chǎn)生所需的形狀。

2025年2月15日，南極熊獲悉，由 Christophe Moser 教授領導的 EPFL 應用光子器件實驗室和由 Jesper Glückstad 教授領導的 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，憑借新技術能夠高效率制造高保真的 3D 打印物體。

相關研究以題為“Holographic tomographicvolumetricadditive manufacturing”的論文發(fā)表在《自然通訊》雜志上。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-56852-4

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。技術原理是將形狀的三維全息圖投射到旋轉的樹脂瓶上，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行控制。”

在最近發(fā)表的研究中，研究團隊在不到 60 秒的時間內以極高的精度打印出了復雜的 3D 物體，如微型船、球體、圓柱體和藝術品，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”——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。這種自我修復特性對于使用載有細胞的生物樹脂和水凝膠進行 3D 打印至關重要——這使得該方法適用于生物醫(yī)學應用。

Alvarez-Castaño 表示：“我們有興趣利用我們的方法來構建生物結構的 3D 復雜形狀，從而讓我們能夠進行生物打印，例如組織或器官的真人大小的模型。”

展望未來，研究團隊的目標是將該方法的效率再提高一倍。Moser 表示，通過一些計算增強，最終目標是使用全息體積增材制造技術構建物體，只需將全息圖投射到樹脂上，而無需旋轉它。這可以進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。可以使用標準商用設備對全息圖進行編碼這一事實增加了該方法的實用性。

Moser 表示：“TVAM 技術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。”