Vitro3D：高维体积3D打印，无支撑、可打印高粘度树脂材料

2023年11月，有外媒采访了Vitro3D的首席执行官兼联合创始人，Camila Uzcategui。他介绍了体积3D打印目前的发展状况与应对的挑战。下面就请跟随南极熊一起，去了解Vitro3D的体积3D打印吧！


△Vitro3D的体积3D打印

Camila Uzcategui 是Vitro3D的首席执行官兼联合创始人。Uzcategui 获得了材料科学与工程博士学位，专注于 3D 打印应用领域，并于 2021 年完成他的论文。他的论文重点是针对组织工程和再生的3D打印材料的表征，了解树脂以预测3D打印结构的质量准确。 Uzcategui 表示：“如果能够准确表征树脂，那么就能更好地匹配这些特定类型组织的机械性能。”在2022年11月，也就是一年前，来自科罗拉多大学博尔德分校孵化公司Vitro3D在科罗拉多州生命科学孵化计划的种子轮融资中获得了130万美元，这推动容积式3D打印技术的商业化进程。


△在 Vitro3D 实验室制作 HD-VAM 系统原型

开创性的体积增材制造：Vitro3D 向行业相关解决方案的战略转变

体积增材制造是先进制造技术的一个新兴且十分有前景的一个领域，虽然传统的逐层3D打印是 Uzcategui 博士期间的研究重点，但对体积增材制造的探索是在她博士后工作期间进行的。Uzcategui 强调了体积技术相对于传统 3D 打印方法的优势，体积打印可以不需要支撑结构或处理高粘度树脂。

在战略愿景方面，Vitro3D积极主动地寻找医疗保健以外的行业，这些行业可以立即从这项技术中受益，并承认实现组织工程的“大梦想”将是一项长期的努力，可能需要5到10年的时间。Vitro3D 现在正在关注电子和牙科等行业，体积技术可能在短期内产生重大影响。这种务实的方法旨在确保公司不会“在没有收入的情况下筹集资金 5 年”，而是参与有意义的、创收的企业，从而更接近彻底改变组织工程和再生的最终目标。


△Vitro3D 作为一种工业流程，可以是独立流程，也可以是集成流程

立体增材制造的复杂性



Uzcategui 表示体积3D打印是操纵不同角度的光线，从虚拟模型创建3D实体。算法是最重要的部分，需要获取3D虚拟对象并以不同角度分解它，然后重新投影它，以在树脂中创建3D对象，这一切都基于生成投影图像的复杂算法。 考虑材料特性和树脂对光的反应至关重要，以确保树脂接收到聚合所需的精确光量，可以说该软件是解锁此功能的关键。

在进一步探讨这一机制时，Uzcategui 提到 Vitro3D 发明了一种新的高维体积增材制造 (HD VAM) 方法，其利用平移二维光锥，从而将四个维度的信息输入到材料中，而不是传统的三个维度。称之为高维VAM，是因为不只是通过旋转和二维图像输入三个维度的信息，而是通过 X 和 Y 以及二维光锥的平移来输入四个维度的信息。

光源（通常是激光）保持长焦点的高质量光线对于投射整个体积至关重要。Uzcategui 表示：“我们希望焦深尽可能大，从 3 厘米开始。”为了解决体积 3D 打印深度尺寸的限制，Uzcategui 还介绍了 HD VAM 方法如何解耦尺寸，允许 X 和 Y 上更大的尺寸，同时保留较小的深度尺寸。Vitro3D 的方法着眼于更广泛的工业应用。


△以工业规模生产个性化零件的 Vitro3D 系统的渲染图

体积增材制造：对更大尺寸和材料多功能性的探索

该公司正在不断努力确定其技术可能实现的最大打印尺寸，目前的最大直径为八厘米。将 HD-VAM 工艺无缝集成到现有生产线中，有望开创现场大规模增材制造的新时代。这一努力的核心是他们的专有算法，Uzcategui 将其描述为技术背后的“魔力”，该算法在开始之前能够复制打印过程，确保树脂仅在需要的地方聚合。Uzcategui 解释说：“该算法接收有关材料、光学和机械的信息，并模拟打印过程。”

体积 3D 打印的一个显着优势是能够处理高粘度树脂，这对传统的逐层系统来说是一个挑战。在标准系统中，层补充的树脂流动十分耗时，特别是对于高粘度树脂。然而，Vitro3D 的技术绕过了这个障碍，因为打印过程中压根就没有树脂流动！

Vitro3D 应对3D打印中的新材料挑战



用于制造电子元件和连接器等高粘度的树脂，对传统3D打印机提出了粘度挑战。在处理此类材料时现有逐层打印技术有很大的局限性；此外，纳米凝胶在牙科领域的应用，也具有粘度挑战。粘度随着纳米凝胶的加载而增加，需要创新的加工方法来有效地处理它们。

Vitro3D 的 HD-VAM 技术是一种很有前途的解决方案，非常适合加工这些创新但具有挑战性的材料，而无需像某些逐层打印机所要求的那样需要额外的加热过程。这种优势不仅体现在打印过程本身（体积打印同时实现物体），而且可以扩展到后处理阶段。

Uzcategui 解释说：“我们在速度方面拥有巨大优势，因为零件会立即实现，用户不需要逐层打印，会非常显着地降低每个零件的速度。” 这种速度的提高至关重要，因为它直接影响生产排期，而生产提前是缩短上市时间的关键因素。此外，他深入研究了后处理的关键方面，强调体积 3D 打印中缺乏支撑结构可显着减少打印后清理所花费的时间。

Uzcategui 还谈到了确保零件质量和可重复性的一个要点，他表示：“我们公司的一个重点是自动化后处理，以获得更可靠的零件，不仅在打印方面，而且在材料特性本身方面。” Vitro3D 的方法不仅加速打印过程，而且简化后处理，反映了对工业生产需求的全面理解。

体积增材制造的成本效率：Vitro3D 以软件为中心的方法

Vitro3D 正准备提供一种经济高效的 3D 打印方法，其重点不是昂贵的硬件，而是智能软件。Uzcategui 解释说，与某些可能花费高达 100 万美元的 3D 打印设置不同，他们的系统使用标准的硬件组件，与传统的逐层 3D 打印机中使用的硬件组件类似。区别在于其专有算法，能够驱动体积3D打印过程。

这种以软件为中心的方法不仅可以控制硬件成本，还可以开发适合客户需求的定制硬件解决方案。Uzcategui 补充道：“相信开放式树脂系统可以让客户在 HD-VAM 系统中使用自己的材料，只需经过 Vitro3D 认证并添加到算法的材料库中即可。”

体积 3D 打印的挑战和前景

体积 3D 打印在新生阶段具有固有的局限性，特别是在尺寸和分辨率方面。然而Uzcategui相信，尽管存在这些限制，他们的 HD-VAM 体积 3D 打印工艺有望解决某些行业中的重大挑战，是目前逐层3D打印无法实现的。

Uzcategui 强调了欧洲对 PFAS 和 PFOA 等“永久化学品”的使用越来越多的限制，预计这些限制很快将成为全球规范。他表示，“我们可以使用高粘度树脂，这些树脂在韧性方面通常具有更好的材料性能，使得体积3D打印成为创造这些化学品替代品的可能选择。“

体积3D打印因其创建高价值、高混合、小批量零件的能力而大放异彩。Uzcategui 认为这是快速迭代新技术的途径，在不断变化和收缩的移动树脂漩涡中确保精确的材料行为是复杂的，需要对光与材料的相互作用有深刻的理解和细致的控制。Uzcategui 注意到像 Carbon 这样的公司在了解材料与光如何相互作用方面投入了大量资金所取得的成功，并强调了这种相互作用在体积增材制造中的重要性。

着眼于商业化，Vitro3D 有望于2024年部署其首个场外系统，并正在与早期采用者讨论定于 2024 年末进行的试点项目。这家初创公司的商业化之旅以协作精神为基础，旨在与行业参与者一起制定解决特定制造挑战的解决方案。作为一家羽翼未丰的初创公司，Vitro3D 坚信，他们的定制方法能让自己在竞争激烈的市场中脱颖而出，它正一步步接近其目标——成为工业技术颠覆性力量、准确满足客户挑战。