体积3D打印：通过校正散射光，打印非透明材料！

导读：体积制造三维打印方法在过去几年中引起了广泛关注。体积制造法是指通过将光一次性投射到一整桶光聚合物树脂上，实现树脂固化成型，获得高分辨率和高速成型过程。但是这种三维打印方式具有一定的局限性，比如材料必须是透明的，因为只有这样，光线才能穿过透明的打印桶。那么有没有一种方法能够打印不透明的物体呢？

2022年5月，南极熊获悉，来自洛桑联邦理工学院、Readily3D等的研究者们提出了一种直接获得投影图案之前充分考虑散射光线路径的方法，即将每一部分的散射光线进行校正，然后再使用断层扫描体积技术3D打印不透明的物体。实验证明了，在打印尺寸超过散射平均自由路径的物体时，进行这种校正是至关重要的。他们的研究《Controlling Light in Scattering Materials for Volumetric Additive Manufacturing》已经发表在《Advanced Science》上。



研究人员指出，相应的实验数据表明，由于光固化树脂的光散射，高空间频率的传输较差。所以在进行图像分析之后，可以进行数值校正，通过突出最高空间频率的特征补偿与频率相关的衰减。与常规使用的标准二元图相比，得到的校正光具有更高的对比度。通过在两种不同的散射材料（丙烯酸树脂和水凝胶基树脂）中打印几种物体几何形状，研究人员也证明了此种校正能够提高了打印的保真度和分辨率。此研究中最核心的技术可以概括为：利用垂直于光轴的侧视相机拍摄的图像的空间频率分析进行校正。


校正分析
许多树脂会有散射现象，光线经过其中会发生光线的偏离，若超出了合理范围将会严重影响打印后的保真度。所以，研究人员首先研究了散射效应和数字微镜器件(DMD)的相应变化，以纠正光散射效应。

DMD用于数字光处理 (DLP)和其他3D打印技术，是操纵数百万个微型镜子以生成图像的地方。研究人员通过校正掩模，改变DMD中反射镜的幅度和角度，能够校正树脂中光的衰减和失真。他们的校正方法的依据是在关键部分的中心上强度最大。（但这通常是无法做到的，因为通常情况下，必须过度曝光树脂桶的一部分来充分曝光内部区域，所以打印具有空心通道的结构时往往会因为过曝光而失败。）他们的技术也被称为“散射校正体积增材制造技术”，与其他体积方法相比，最大的优势在于提高打印的保真度。

由上述分析可知，利用体积制造技术打印具有中空结构的零部件较为困难，但生物打印中需要这类结构，因为在生物3D打印中往往需要中空通道来为打印的组织提供营养和氧气。因此，该团队认为最能体现该工作的意义是成功进行了3D打印的水凝胶中空通道中。


△散射校正断层扫描体积增材制造 (VAM) 允许在散射材料（例如载细胞的水凝胶）中打印具有空心通道的复杂几何形状。a) 物体的3D模型，其中心被四个相互连接的空心通道包围。b) 包含400万细胞/ml 的水凝胶。(液体不再透明）c) 在传统的断层扫描VAM中，3D 模型被二值化为计算的光剂量，用于计算打印的图案集。当这些图案投射到散射材料上时，它们会变得模糊，由此产生的沉积光剂量会阻止打印目标物体。d) 在散射校正VAM中，校正了散射光的影响。相应光图案的投影会产生与目标3D模型的几何形状和功能相匹配的打印。

校正过程及结果



a) 为了表征光散射，将一束薄的结构光投射在树脂上，同时用侧视相机记录图片。
b) 用于表征的10毫米厚的比色皿的照片。
c) 为了校正光固化树脂中的光散射，侧视相机拍摄了不同入射光结构的图像。
d) 这个数据集的傅里叶变换显示，可以发现高空间频率随着深度的增加而衰减得更快。
e) 通过在频率空间中反转这个衰减图，得到一个校正掩码。这个校正掩码表明如何提高不同深度的空间频率以抵消散射的影响。
f) 为了在散射树脂中打印一个物体，三维模型被二值化，校正掩码被应用到它上面。

利用上述方法进行3D打印，如下图所示，零件的保真度得到的很大的提高。


△散射校正的断层VAM提高了打印的保真度。 a) (i) 一个外周和内周都有齿轮的三维模型被用作评估打印保真度的目标。(ii) 用于打印的透明和散射的有机丙烯酸酯光固化树脂的照片。分散在散射树脂中的TiO2纳米颗粒对光线产生散射作用。研究人员分别使用传统的断层扫描VAM在透明树脂中打印物体，使用传统和散射校正的断层扫描VAM在散射树脂中打印物体。(iii)横向光剂量分布。(iv)所打印物体的微型CT扫描。(v)打印的保真度以模型和打印物的IoU来衡量（IoU=1表示完全匹配）。误差条表示标准误差。 b) 复杂三维结构的散射校正断层成像VAM。(i) 巴黎圣心大教堂的三维模型。(ii)横向光剂量曲线。(iii)微型CT扫描。

若想更清晰地理解对散射光线进行校正和无校正造成的差异，读者可以仔细查看下图进行了解。


△在载有细胞的水凝胶中生物制造功能性血管模型。a) 具有被四个通道包围的核心的构造的 3D 模型，模拟脉管系统。b) 光线如何随着细胞渗透到水凝胶中而变得模糊的侧视图。c）在有和没有校正的断层的VAM期间以不同角度投射的相应光图案。差异显示了用于解释散射的校正的位置和量 d) 将所得打印结构染成红色后的照片。e) 蓝色染料流经构建体的延时摄影。散射校正断层扫描 VAM 生成与模型的几何形状和功能相匹配的对象；而传统的断层扫描 VAM 会导致结构中心出现意外故障管。

展望
研究人员通过在两种不同的散射材料（丙烯酸树脂和水凝胶树脂）中打印较复杂的物体的，证明了利用校正散射光后的体积打印可以提高打印的保真度和分辨率。所提出的用侧视相机描述光在树脂中传播的装置也可用于其他类型的校正。例如，对直行光（无反射）的指数下降进行校正、对具有光吸收材料的校正等。但是，无论进行何种校正，该方法仍然依赖于投影系统，这意味着，在不透明的材料中，如果光经历了多次散射，即使使用了强大的散射校正，也可能不成功，因为投射的图案会变得随机。然而，本文研究的散射光通过校正，能够提高零件的保真度，可应用于许多材料，如生物树脂。悬浮在这种树脂中的细胞被认为是弱散射体，因为它们的尺寸很大（大约10微米，即主要是前向散射），但在高浓度下，这种效应对断层打印是不利的。然而，如果想在一段时间内保持打印的可行性，达到高浓度是必要的。

1.研究人员证明了散射校正能够增加水凝胶中的细胞密度而不影响打印的细胞构造。未来的研究有必要评估和减少基于光的生物打印方法可能引起的细胞毒性和诱变性的问题。

2.这项工作中提出的结果推动了断层VAM对高细胞负载水凝胶的适用性，同时保持其较高的打印速度（几十秒，而DLP通常为几十分钟）和所需的少量光引发剂（在这项工作中为0.16mg mL-1，而DLP生物打印的典型值为0.5-10mg mL-1）。此种校正方式也可应用于其他打印技术，如Xolography、双光子制造、纵向或多轴设置。这些校正也可以与树脂的光学调谐和折射率匹配结合使用，以进一步提高保真度。

更多内容请下载原文查看： https://doi.org/10.1002/advs.202105144