SVIP-VAM仅需15次投影即可实现高质量体积3D打印

来源：EFL生物3D打印与生物制造

使用三条空间内相交的线可以实现空间内点的确定，但是三束投影光却难以实现复杂几何结构的确定。断层成像技术（Computed Tomography, CT）是一种极坐标系下基于多角度投影数据重建三维图像的技术，广泛应用于医学影像和材料科学。其核心原理是通过从不同方向获取对象的二维投影，利用数学方法还原对象的三维内部结构。基于该原理的体积增材制造技术（VAM）无需设计支撑，可以快速实现三维结构的打印。

VAM是一种无接触的制造方式，投影光束的能量在料桶空间中累加使得结构区域固化。这种过程在无重力的太空中更有优势，无需考虑结构从开始固化和完全成型之间的沉降影响。并且，VAM可以有效解决太空中传统层堆式打印没有重力效应束缚油墨界面的难点。由于传统的VAM需要大量投影数据集，其计算时间远远大于成型时间，使得整体的VAM制造过程很耗时，这对于具有时效性的生物组织类器官等的打印很不友好。鉴于此，北京航空航天大学生物与医学工程学院的李介博课题组在之前极坐标线投影3D打印研究[Int. J. Extrem. Manuf. 2024, 6 045004]的基础上，联合西安电子科技大学陈雪利教授和香港理工大学温燮文教授，提出稀疏视野辐照的体积增材制造方法（SVIP-VAM），使得VAM的投影数据量减少了近60倍，投影集计算时间降低了近10倍，整体制造时间降低近10倍，并在国际工程制造类顶级SCI期刊《Int. J. Extrem. Manuf.》（IF=21.3，JCR排名1/71）上发表了题为《Sparse-view irradiation processing volumetric additive manufacturing》的研究文章，其中北京航空航天大学的王汇元博士为论文第一作者。

图1. SVIP-VAM系统示意图

研究内容
创新研究1：稀疏视图照射处理体积增材制造（SVIP-VAM）方法与验证

研究团队通过理论分析证明，仅需8次投影即可重建复杂结构的轮廓信息。如图2所示，无论是规则多边形还是圆形结构，通过半周范围内的稀疏投影都能准确重建轮廓。这一发现为大幅减少投影次数提供了理论基础。

图2. 稀释打印理论验证

创新研究2：技术突破 - 奇偶辐照(OE)模式

研究团队提出了奇偶辐照模式，有效避免了传统等距辐照(ED)模式下的信息冗余。如图3所示，OE模式通过优化投影角度分布，使8次投影即可达到传统16次投影的效果，实现了投影效率的倍增。

图3. 奇偶辐照（OE）模式示意图

创新研究3：实际应用验证

稀疏投影技术显著提升了单次投影效率。对于圆柱体等简单结构，仅需8次投影即可完成制造，而复杂结构则可能需要更多次投影。通过仿真和实际打印研究评估了多种模型（齿轮、肺叶、大脑、熊、八分体和花瓶盖）在不同稀疏投影数量下的打印效果。如图4所示，尽管各模型曲线在15次投影前存在差异，但从8次投影开始趋于收敛，所有模型的定量指标在15次投影时均增加至0.9以上。总之，在15个投影以上稀疏视野都可达到不错的效果。

图4. 15个投影的SVIP-VAM制造结构展示

总结与展望
这项研究通过SVIP-VAM技术实现了体积3D打印领域的突破：

1.将传统VAM所需的1000+次投影减少到15次左右

2.单次投影效率提升60倍以上

3.投影集计算时间减少近10倍

未来，研究团队计划进一步优化材料体系和投影算法，使得无需转动的体积增材制造技术成为可能。在之后的研究中可使用稀疏视野数量的投影源，固定在对应辐照方位，只需同时辐照打印料桶，即可在无需相对运动的情况下完成结构的制造。这一突破将为复杂环境下的原位制造提供可行方案，使其成为组织工程、医疗植入物、航空航天制造、空间站微重力生物制造等领域极具竞争力的候选技术。

文章来源：10.1088/2631-7990/adebbf