EPFL研究人員推出基于MEMS的全息系統(tǒng)，提升體積3D打印效率

2025年6月21日，南極熊獲悉，洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院 (EPFL)的研究人員推出了一款緊湊高效的全息斷層掃描體積增材制造 (HT-VAM) 系統(tǒng)，利用基于 MEMS 的純相位光調(diào)制器。這一進(jìn)展標(biāo)志著在解決體積 3D 打印相關(guān)的光傳輸限制方面取得了重大進(jìn)展。

他們的研究成果以題為“High Light-EfficiencyHolographic Tomographic Volumetric Additive Manufacturing using a MEMS-basedPhase-only Light Modulator”的論文發(fā)表在在線期刊arXiv （2025 年 6 月），詳細(xì)展示了相位調(diào)制如何徹底改變基于光的制造技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)更快、更高分辨率的打印，并實(shí)現(xiàn)前所未有的能源效率。

論文鏈接：https://doi.org/10.48550/arXiv.2506.02578

全息技術(shù)與體積制造的結(jié)合

體積增材制造 (VAM) 是一種無層3D 打印技術(shù)，通過將光圖案投射到旋轉(zhuǎn)的光樹脂瓶中，同時(shí)固化整個(gè)物體。與逐層打印方法不同，VAM 消除了階梯狀偽影，并能夠無支撐地制造復(fù)雜的幾何形狀。EPFL 的斷層掃描 VAM (TVAM) 方法采用計(jì)算機(jī)斷層掃描原理生成動(dòng)態(tài)光場，從而實(shí)現(xiàn)樹脂的體積聚合。

傳統(tǒng)的TVAM系統(tǒng)通常依賴于數(shù)字微鏡器件（DMD），這是一種光效率有限的二進(jìn)制振幅調(diào)制器，通常低于10%。EPFL團(tuán)隊(duì)將其替換為僅相位的相位光調(diào)制器（PLM），從而實(shí)現(xiàn)精確的波前控制。這一改進(jìn)使測得的光效率達(dá)到23.78%，比DMD提高了70倍，同時(shí)還減少了散斑噪聲等成像偽影。

△光學(xué)結(jié)構(gòu)和光效率。圖片來自洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院應(yīng)用光子器件實(shí)驗(yàn)室（LAPD）。

相位調(diào)制：游戲規(guī)則改變者

直到最近，硅基液晶 (LCOS) 空間光調(diào)制器 (SLM) 仍是相位調(diào)制的標(biāo)準(zhǔn)。然而，LCOS 存在諸多局限性，包括響應(yīng)時(shí)間慢（60-120 Hz）、紫外線 (UV) 衰減以及偏振敏感性。

相比之下，由德州儀器 (TI) 開發(fā)的、基于 MEMS 的 EPFL PLM 采用活塞運(yùn)動(dòng)微鏡直接編碼相位。它具有 4 位分辨率（16 個(gè)相位級），可實(shí)現(xiàn)精確的波前整形；高速（1,440 Hz 幀速率），可實(shí)現(xiàn)快速圖案化；并且具有偏振不敏感性和紫外線穩(wěn)定性，這對于光聚合至關(guān)重要。

新的打印系統(tǒng)支持使用低功率、單模 405 nm 激光器，降低成本和系統(tǒng)復(fù)雜性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)接近理論的衍射效率。

減少斑點(diǎn)和打印質(zhì)量

全息打印系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵創(chuàng)新在于散斑抑制流程。散斑是由相干光干涉引起的，通過在每個(gè)角度時(shí)分復(fù)用投影九個(gè)橫向偏移的全息圖來減輕散斑的影響。結(jié)合貝塞爾光束軸棱鏡相位，打印流程將散斑對比度降低了 50%（從 0.45 降至 0.33），并擴(kuò)展了系統(tǒng)的焦深，從而確保整個(gè)打印體積的分辨率均勻一致。

△用于生成低散斑噪聲投影的流程示例。圖片來自洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院應(yīng)用光子器件實(shí)驗(yàn)室 (LAPD)。

快速、高保真打印

全息打印系統(tǒng)演示了快速打印復(fù)雜模型，例如32秒內(nèi)打印4毫米螺旋意大利面結(jié)構(gòu)（激光功率為18毫瓦），61秒內(nèi)打印8毫米高的斯坦福兔子（激光功率為50毫瓦），以及在微米尺度上打印表面光滑的DNA螺旋。潛在應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋生物打印、微光學(xué)和航空航天，在這些領(lǐng)域，速度、分辨率和材料效率至關(guān)重要。

△使用PLM 技術(shù)打印全息 VAM 的物體示例。圖片來自洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院 (EPFL) 應(yīng)用光子器件實(shí)驗(yàn)室 (LAPD)。

隨著光控和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的創(chuàng)新，體積打印日趨成熟

體積增材制造作為傳統(tǒng)逐層3D打印的有力替代方案，發(fā)展勢頭強(qiáng)勁，它能夠同時(shí)制造整個(gè)物體，且對幾何形狀和速度的限制更少。最近的進(jìn)展包括自動(dòng)曝光控制系統(tǒng)，可在斷層掃描投影過程中實(shí)現(xiàn)更精確的光劑量，以及使用光轉(zhuǎn)換納米粒子來實(shí)現(xiàn)更深層、更可控的聚合。瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）的衍生公司Readily3D也通過與BIO INX的合作，推進(jìn)了體積生物打印技術(shù)的發(fā)展，旨在簡化復(fù)雜生物模型的制造。