《Nature Communications》反卷积体积增材制造

来源：长三角G60激光联盟

据悉，加拿大国家研究理事会、加拿大安大略理工大学、美国加州大学伯克利分校大学一组研究人员开发了一种反卷积体积增材制造技术，相关研究成果以“Deconvolution volumetric additive manufacturing”为题发表在《Nature Communications》上。

体积增材制造(VAM)技术是一种很有发展前景的超快速光基三维制造途径。然而，要广泛采用这种技术，就必须大幅提高打印保真度。目前，体积增材制造打印存在精细特征系统性固化不足的问题，导致无法打印出包含各种特征尺寸的物体，无法在许多应用中有效采用。在此，研究人员揭示了造成这种限制的原因：由于化学扩散和光学模糊，光剂量在树脂中扩散，这在⪅0.5 毫米的特征中变得非常重要。研究人员建立了一个模型，可定量预测打印时间随特征尺寸的变化，并展示了一种修正这一误差的解卷积方法。这使得以前超出体积增材制造能力的打印成为可能，例如具有可变厚度的复杂陀螺结构和细齿齿轮。这些成果将体积增材制造定位为一种成熟的三维打印方法，几乎消除了与行业标准打印保真度之间的差距。


在增材制造(AM)中，物体通常一次制造一个体素，一条线或一层。这种模式被体积增材制造(VAM)技术的引入所颠覆，该技术可以同时打印整个体积。最广泛使用的VAM技术是利用层析成像原理在含有光敏树脂的旋转小瓶内投射3D光剂量。当局部光剂量超过聚合阈值时，物体固化，而其余的打印体积保持液态。通过这种方式，~10 - 20mm的物体通常在~10 s-1分钟的时间进行打印，这比传统的基于体素/线/层的方法的速度有了巨大提高。此外，由于固化的物体是悬浮在未固化树脂中，因此不需要支撑结构。然而，提高打印速度和设计自由度也带来了挑战。与光栅扫描立体光刻(SLA)或数字光处理(DLP)打印等其他还原光聚合方法不同，VAM中的光曝光不限于单层或体素。光剂量被应用在体积的任何地方，增加了过度曝光的可能性。此外，与SLA的~ 0.01-0.1 s/体素和DLP的~ 1-10 s/层相比，VAM的打印体积在聚合前连续照射数十秒至1分钟以上，为扩散效应的显现留下了更多的时间。
研究人员引入了一种称为“光学散射层析成像”(OST)的成像技术来实时观察和量化VAM中的三维聚合过程。VAM的普遍现象:大的特征往往首先聚合(或过度固化)，其次是显示不足的小特征。研究人员用一个简单的不同厚度的磁盘打印实验证明了这种尺寸依赖于聚合时间，如图1所示。然后，研究人员将这种与特征尺寸相关的聚合时间的原因确定为与时间相关的剂量扩散和投影光学点扩散函数（PSF）的结合。使用OST，研究人员首次使用两步打印直接可视化VAM树脂中的剂量扩散和测量剂量扩散系数。研究人员表明，可以通过已知的扩散和投影PSF对目标几何进行反卷积，从而在一定的磁盘厚度范围内恢复均匀聚合时间，否则这是不可能的。此外，研究人员通过打印具有精细互连壁和孔的物体以及具有精细齿轮齿的物体来证明该结果可推广到复杂的3D物体。

图1:小特征在VAM中打印缓慢。

图2:反卷积VAM打印具有大范围特征尺寸的结构。

VAM中的扩散
在VAM中，在大约10-100秒的时间内施加光剂量。在此期间，氧气被耗尽;当它局部下降到阈值浓度以下时，聚合就开始了。

图3:剂量扩散系数的测量。

在图4中，研究人员显示了图2中打印和设计的可变壁厚陀螺仪的横截面视图。图4a中未校正打印的OST等面显示，由于结构上聚合时间不均匀，内部孔隙结构完全丢失。相比之下，图4b证实，在反卷积校正的打印中，陀螺仪复杂的内部几何形状得到了完全的再现。对一系列二维截面的详细检查表明，当使用反卷积校正时，小的负和正特征的大小都正确出现。值得注意的是，反卷积回纹的内部孔隙空间也是完整的，表明形成了精细的正、负特征(孔隙)。这是流体应用的关键，在一系列尺寸的负特征的保真度是至关重要的。

图4:在未校正的VAM由于特征尺寸范围大而失败的情况下，反卷积产生高保真度的最终部分。

另一个通过反卷积校正改善打印的例子如图5所示。在这里，研究人员制造了一对机械齿轮打印(图5a)。顶齿轮有宽齿(0.4毫米)，而底齿轮有细齿(0.1毫米)。正如预期的那样，从光学散射图像中可以看出，上下齿轮的厚齿和薄齿的聚合时间有很大差异。这使得顶齿轮的过度固化(图5b)，这是必要的驱动底部齿轮的齿聚合。由于齿环的特征尺寸比齿大，底部齿轮也被过度固化。

图5：使用 VAM 打印齿轮，通过反卷积校正启用。

在这项研究中，研究人员系统地研究了VAM中的一个常见现象—更细的特征需要更大的光剂量来聚合。研究人员使用一个模型来解释观察结果，该模型包括时间依赖的剂量扩散和时间依赖的剂量扩散，这是由于树脂中投影的光学PSF造成的。所有增材制造技术都容易产生特定模态的伪影，例如:熔融沉积成型（FDM）中的层粘附，金属粉末床熔融中不希望出现的孔隙，选择性激光熔化中的球团以及双光子聚合中的微爆炸。自VAM技术被开发以来，VAM的许多限制已经解除，包括扩大打印材料、散射树脂、陶瓷和玻璃;更精确的投影计算算法，刚度控制，条纹去除，更简单的光机械设计和实时可视化等等。研究人员的研究显著提高了VAM的能力，使得生产具有广泛特征尺寸的高质量打印，而无需修改打印设备，无需产生额外的硬件成本。这些对VAM打印的基本理解和VAM打印能力的进步将VAM推向了下一代超快速制造技术的前沿，开辟了从复杂流体部件到空间制造的广泛应用。


相关论文链接：

Bao, F., Wang, X., Sureshbabu, S.H. et al. Heat-assisted detection and ranging. Nature 619, 743–748 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06174-6