体积3D打印新光学方案！MEMS全息技术光效提升70倍

AM易道学术分享

业内讨论体积3D打印（Volumetric Additive Manufacturing,VAM）也讨论了好几年了。

这项技术凭借其一气呵成、无支撑、无台阶纹的打印方式，跳出了3D打印技术层层叠加的底层成型逻辑，被看作是光固化3D打印甚至是全行业的新思潮和下一个进化方向。

咱们今天来盘一盘一个该领域的新进展，来自洛桑联邦理工学院（EPFL）的新光学方案，涉及到MEMS全息技术。

新方案的打印效果提升显著：

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体积打印的老大难：光效率低得可怜

在聊新方案之前，咱们得先回顾一下VAM，尤其是断层扫描体积打印（TVAM）是怎么工作的。

TVAM是把一个物体的3D模型转换成无数个角度的2D投影，然后用投影仪把这些光场图案快速、连续地打进一个旋转的、装满光敏树脂的小瓶子里。

树脂中只有那些被光从各个角度反复照射、累积了足够能量的点会同时凝固成型，最终让一个完整的三维物体在几十秒内直接从液体中浮现出来，而不是一层层堆叠而成。

听起来很美好，但问题就出在投影仪上。

目前主流的TVAM系统大多使用数字微镜器件（DMD）作为光调制器。

DMD本质上是由无数个微小的镜片组成的阵列，通过翻转镜片来控制光线的开或关，从而形成图像。

这种工作方式属于振幅调制，简单粗暴，但效率低。

大部分光要么被挡掉，要么被反射到别处，真正用来固化的有效光利用率通常不到10%。

这意味着为了在短时间内提供足够的光剂量，你必须用大功率的光源，比如高功率激光器。

这不仅拉高了整个系统的成本和体积，还带来了散热等一系列工程难题。

可以说，DMD在光效率上的短板，一直是限制体积3D打印技术走向更广泛商业化应用的一大障碍。

新光学方案：从开关到导航的MEMS相位光调制器

现在，EPFL的团队带来的这套全新的全息断层体积增材制造（HT-VAM）系统，可以说是正面解决了这个核心痛点。

他们做了一个关键的替换：用德州仪器（TI）开发的基于MEMS的纯相位光调制器（PLM）取代了传统的DMD。

我们认为，这个改变是非常有价值。

如果说DMD是光的开关，只能决定光要不要通过，那么PLM就是光的导航仪。

它不再粗暴地阻挡光线，而是通过控制微镜的活塞式运动，对光波的相位进行精细雕刻，从而引导光波阵面，让光能以极高的效率汇聚到需要固化的目标位置。

效果有多显著？

根据他们在今年6月arXiv上发布的预印本论文数据，这套系统的实测光效率达到了惊人的23.78%，相比DMD方案实现了70倍的提升。

这意味着，过去需要一个大炮才能完成的工作，现在用一个低功耗的手电筒就行了。

系统可以直接采用低成本的单模405nm激光器，整个系统的复杂度和成本都直线下降。

熟悉光路的朋友可能会问，纯相位调制我们首先想到的是LCOS（硅基液晶）空间光调制器，为什么它没能成为主流？

原因在于LCOS的几大硬伤：

首先是响应速度慢（通常在60-120Hz），难以满足高速打印的需求；

其次，它对光的偏振态很敏感；

最致命的是，在光固化常用的紫外光照射下，LCOS材料会快速老化降解。

而EPFL选择的这套MEMS方案则完美规避了这些问题。

它高达1440Hz的刷新率保证了图案的快速切换，同时对偏振不敏感，且具备出色的紫外稳定性，简直是为光固化应用量身定做的。

不仅更亮，还要更干净：解决散斑噪声的巧思

当然，从理论到实践还有很多工程问题要解决。

当你使用相干性这么好的单模激光器玩全息投影时，一个头疼的副产品散斑噪声（speckle noise）就来了。

这种由光干涉产生的随机颗粒状斑点，会严重影响打印件的表面质量和细节精度。

EPFL的团队为此设计了一套非常巧妙的散斑抑制流程。

他们没有用单一的全息图去投影，而是在每个投射角度，都快速复用了9个经过横向微移的全息图。

同时，他们还在算法中引入了贝塞尔光束的艾里斑相位（Bessel beam axicon phases）。

这一套组合拳打下来，成功将散斑对比度降低了50%（从0.45降至0.33）。

不仅让光场变得更均匀、干净，还顺带扩展了系统的景深，确保在整个打印体积内都能获得一致的高分辨率。

写在最后：体积打印的成熟之路 文章的技术内容还很多，但上面是我们认为最核心的创新。

这项研究，让我们看到了体积打印突破现有瓶颈的新路径。

它和近年来出现的其他创新，比如用于精确光剂量控制的自动曝光系统、利用光转换纳米颗粒实现更深层固化的技术等，共同推动着这项技术走向成熟。

值得一提的是，从EPFL剥离出来的商业化公司Readily3D，也正在与生物材料公司BIOINX合作，推动体积打印在复杂生物模型制造中的应用。

学术研究的突破正在快速向产业应用转化。

总而言之，通过MEMS全息光路对光这一核心要素的精妙控制，EPFL为体积打印技术装上了一个强大而高效的新引擎。

原文链接：https://arxiv.org/pdf/2506.02578

接下来，就看市场和资本如何拥抱这一变化了。

AM易道认为，和许多光学行业面临的问题一样，TI的核心器件虽好，但谁知道未来会不会面临卡脖子问题，所以LCOS的突破还是值得被期待的。

当然，这得是体积光固化真正形成规模以后需要考虑的事情。

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