全息技術提升3D列印效率與解析度

傳統的3D印表機是透過堆疊材料層來工作，而斷層體積式增材製造（TVAM）則是將雷射光照射在旋轉的樹脂瓶上，直到累積能量超過特定閾值使樹脂硬化。TVAM的一個優勢是，它能在短短幾秒內製造出物體，相比之下，基於層疊的3D列印大約需要10分鐘。然而，它也有一個缺點，就是效率非常低，因為只有大約1%的編碼光線能到達樹脂，從而形成所需的形狀。

由克里斯托夫·莫瑟教授領導的洛桑聯邦理工學院（EPFL）應用光學器件實驗室，以及由傑斯珀·格呂克斯塔德教授領導的南丹麥大學光子工程中心的研究人員，在《自然通訊》上報告了一種TVAM方法。該方法能顯著減少製造物體所需的能量，同時提高解析度。

這項技術是將物體形狀的三維全息圖投射到旋轉的樹脂瓶上。與傳統的TVAM不同，傳統方法是將資訊編碼在投射光波的振幅（高度）中，而全息方法則利用了光波的相位或位置。

這一小小的改變產生了巨大的影響。莫瑟總結道：「所有像素輸入都對所有平面上的全息圖像有貢獻，這讓我們在最終的3D物體中獲得了更高的光效率和更好的空間解析度，因為投射圖案可以在投射深度上進行控制。」

在最近發表的研究中，該團隊用比以往研究少25倍的光功率，在60秒內以極高的精度列印出了複雜的3D物體，如微型船隻、球體、圓柱體和藝術品。

這種方法能夠在幾秒內製造出毫米級的物體。（圖片來源：洛桑聯邦理工學院應用光學器件實驗室）

全息圖是使用格呂克斯塔德教授發明的一種名為HoloTile的技術生成的。HoloTile技術是將所需投射圖案的多個全息圖進行疊加，並消除了稱為散斑噪聲的隨機光干擾，否則這些干擾會使圖像變得模糊。儘管此前已有全息體積式增材製造的相關報導，但洛桑聯邦理工學院和南丹麥大學的聯合團隊的方法首次製造出了如此高保真度的3D列印物體，這在很大程度上要歸功於HoloTile技術的使用。

洛桑聯邦理工學院的學生、論文第一作者瑪麗亞·伊莎貝爾·阿爾瓦雷斯 - 卡斯塔尼奧解釋說，全息方法的另一個獨特之處在於，全息光束可以具有「自我修復」的特性，這意味著它們可以在樹脂中傳播，而不會被微小顆粒偏離路徑。這種自我修復特性對於使用裝有細胞的生物樹脂和水凝膠進行3D列印至關重要，使該方法非常適用於生物醫學應用。

阿爾瓦雷斯 - 卡斯塔尼奧表示：「我們有興趣利用我們的方法構建生物結構的3D複雜形狀，例如讓我們能夠生物列印出組織或器官的實際大小模型。」

這種方法能夠在幾秒內製造出毫米級的物體。（圖片來源：洛桑聯邦理工學院應用光學器件實驗室）

展望未來，該團隊的目標是將他們方法的效率再提高兩倍。莫瑟表示，通過一些計算方面的改進，最終目標是利用全息體積式增材製造技術，只需將全息圖投射到樹脂上，而無需旋轉樹脂瓶就能製造物體。這可以進一步簡化體積式增材製造過程，並增加大批量、高能效製造流程的可能性。

他還補充說，全息圖可以使用標準商業設備進行編碼，這增加了該方法的實用性。他總結道：「在TVAM技術中加入全息技術，為下一代高效、精確和快速的體積式增材製造系統奠定了基礎。」