Vitro3D：高維體積3D打印，無支撐、可打印高粘度樹脂材料

2023年11月，有外媒采訪了Vitro3D的首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人，Camila Uzcategui。他介紹了體積3D打印目前的發(fā)展?fàn)顩r與應(yīng)對(duì)的挑戰(zhàn)。下面就請(qǐng)跟隨南極熊一起，去了解Vitro3D的體積3D打印吧！


△Vitro3D的體積3D打印

Camila Uzcategui 是Vitro3D的首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人。Uzcategui 獲得了材料科學(xué)與工程博士學(xué)位，專注于 3D 打印應(yīng)用領(lǐng)域，并于 2021 年完成他的論文。他的論文重點(diǎn)是針對(duì)組織工程和再生的3D打印材料的表征，了解樹脂以預(yù)測3D打印結(jié)構(gòu)的質(zhì)量準(zhǔn)確。 Uzcategui 表示：“如果能夠準(zhǔn)確表征樹脂，那么就能更好地匹配這些特定類型組織的機(jī)械性能�！痹�2022年11月，也就是一年前，來自科羅拉多大學(xué)博爾德分校孵化公司Vitro3D在科羅拉多州生命科學(xué)孵化計(jì)劃的種子輪融資中獲得了130萬美元，這推動(dòng)容積式3D打印技術(shù)的商業(yè)化進(jìn)程。


△在 Vitro3D 實(shí)驗(yàn)室制作 HD-VAM 系統(tǒng)原型

開創(chuàng)性的體積增材制造：Vitro3D 向行業(yè)相關(guān)解決方案的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變

體積增材制造是先進(jìn)制造技術(shù)的一個(gè)新興且十分有前景的一個(gè)領(lǐng)域，雖然傳統(tǒng)的逐層3D打印是 Uzcategui 博士期間的研究重點(diǎn)，但對(duì)體積增材制造的探索是在她博士后工作期間進(jìn)行的。Uzcategui 強(qiáng)調(diào)了體積技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng) 3D 打印方法的優(yōu)勢(shì)，體積打印可以不需要支撐結(jié)構(gòu)或處理高粘度樹脂。

在戰(zhàn)略愿景方面，Vitro3D積極主動(dòng)地尋找醫(yī)療保健以外的行業(yè)，這些行業(yè)可以立即從這項(xiàng)技術(shù)中受益，并承認(rèn)實(shí)現(xiàn)組織工程的“大夢(mèng)想”將是一項(xiàng)長期的努力，可能需要5到10年的時(shí)間。Vitro3D 現(xiàn)在正在關(guān)注電子和牙科等行業(yè)，體積技術(shù)可能在短期內(nèi)產(chǎn)生重大影響。這種務(wù)實(shí)的方法旨在確保公司不會(huì)“在沒有收入的情況下籌集資金 5 年”，而是參與有意義的、創(chuàng)收的企業(yè)，從而更接近徹底改變組織工程和再生的最終目標(biāo)。


△Vitro3D 作為一種工業(yè)流程，可以是獨(dú)立流程，也可以是集成流程

立體增材制造的復(fù)雜性



Uzcategui 表示體積3D打印是操縱不同角度的光線，從虛擬模型創(chuàng)建3D實(shí)體。算法是最重要的部分，需要獲取3D虛擬對(duì)象并以不同角度分解它，然后重新投影它，以在樹脂中創(chuàng)建3D對(duì)象，這一切都基于生成投影圖像的復(fù)雜算法。 考慮材料特性和樹脂對(duì)光的反應(yīng)至關(guān)重要，以確保樹脂接收到聚合所需的精確光量，可以說該軟件是解鎖此功能的關(guān)鍵。

在進(jìn)一步探討這一機(jī)制時(shí)，Uzcategui 提到 Vitro3D 發(fā)明了一種新的高維體積增材制造 (HD VAM) 方法，其利用平移二維光錐，從而將四個(gè)維度的信息輸入到材料中，而不是傳統(tǒng)的三個(gè)維度。稱之為高維VAM，是因?yàn)椴恢皇峭ㄟ^旋轉(zhuǎn)和二維圖像輸入三個(gè)維度的信息，而是通過 X 和 Y 以及二維光錐的平移來輸入四個(gè)維度的信息。

光源（通常是激光）保持長焦點(diǎn)的高質(zhì)量光線對(duì)于投射整個(gè)體積至關(guān)重要。Uzcategui 表示：“我們希望焦深盡可能大，從 3 厘米開始。”為了解決體積 3D 打印深度尺寸的限制，Uzcategui 還介紹了 HD VAM 方法如何解耦尺寸，允許 X 和 Y 上更大的尺寸，同時(shí)保留較小的深度尺寸。Vitro3D 的方法著眼于更廣泛的工業(yè)應(yīng)用。


△以工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)個(gè)性化零件的 Vitro3D 系統(tǒng)的渲染圖

體積增材制造：對(duì)更大尺寸和材料多功能性的探索

該公司正在不斷努力確定其技術(shù)可能實(shí)現(xiàn)的最大打印尺寸，目前的最大直徑為八厘米。將 HD-VAM 工藝無縫集成到現(xiàn)有生產(chǎn)線中，有望開創(chuàng)現(xiàn)場大規(guī)模增材制造的新時(shí)代。這一努力的核心是他們的專有算法，Uzcategui 將其描述為技術(shù)背后的“魔力”，該算法在開始之前能夠復(fù)制打印過程，確保樹脂僅在需要的地方聚合。Uzcategui 解釋說：“該算法接收有關(guān)材料、光學(xué)和機(jī)械的信息，并模擬打印過程�！�

體積 3D 打印的一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)是能夠處理高粘度樹脂，這對(duì)傳統(tǒng)的逐層系統(tǒng)來說是一個(gè)挑戰(zhàn)。在標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)中，層補(bǔ)充的樹脂流動(dòng)十分耗時(shí)，特別是對(duì)于高粘度樹脂。然而，Vitro3D 的技術(shù)繞過了這個(gè)障礙，因?yàn)榇蛴∵^程中壓根就沒有樹脂流動(dòng)！

Vitro3D 應(yīng)對(duì)3D打印中的新材料挑戰(zhàn)



用于制造電子元件和連接器等高粘度的樹脂，對(duì)傳統(tǒng)3D打印機(jī)提出了粘度挑戰(zhàn)。在處理此類材料時(shí)現(xiàn)有逐層打印技術(shù)有很大的局限性；此外，納米凝膠在牙科領(lǐng)域的應(yīng)用，也具有粘度挑戰(zhàn)。粘度隨著納米凝膠的加載而增加，需要?jiǎng)?chuàng)新的加工方法來有效地處理它們。

Vitro3D 的 HD-VAM 技術(shù)是一種很有前途的解決方案，非常適合加工這些創(chuàng)新但具有挑戰(zhàn)性的材料，而無需像某些逐層打印機(jī)所要求的那樣需要額外的加熱過程。這種優(yōu)勢(shì)不僅體現(xiàn)在打印過程本身（體積打印同時(shí)實(shí)現(xiàn)物體），而且可以擴(kuò)展到后處理階段。

Uzcategui 解釋說：“我們?cè)谒俣确矫鎿碛芯薮髢?yōu)勢(shì)，因?yàn)榱慵��?huì)立即實(shí)現(xiàn)，用戶不需要逐層打印，會(huì)非常顯著地降低每個(gè)零件的速度�！� 這種速度的提高至關(guān)重要，因?yàn)樗�直接影響生產(chǎn)排期，而生產(chǎn)提前是縮短上市時(shí)間的關(guān)鍵因素。此外，他深入研究了后處理的關(guān)鍵方面，強(qiáng)調(diào)體積 3D 打印中缺乏支撐結(jié)構(gòu)可顯著減少打印后清理所花費(fèi)的時(shí)間。

Uzcategui 還談到了確保零件質(zhì)量和可重復(fù)性的一個(gè)要點(diǎn)，他表示：“我們公司的一個(gè)重點(diǎn)是自動(dòng)化后處理，以獲得更可靠的零件，不僅在打印方面，而且在材料特性本身方面�！� Vitro3D 的方法不僅加速打印過程，而且簡化后處理，反映了對(duì)工業(yè)生產(chǎn)需求的全面理解。

體積增材制造的成本效率：Vitro3D 以軟件為中心的方法

Vitro3D 正準(zhǔn)備提供一種經(jīng)濟(jì)高效的 3D 打印方法，其重點(diǎn)不是昂貴的硬件，而是智能軟件。Uzcategui 解釋說，與某些可能花費(fèi)高達(dá) 100 萬美元的 3D 打印設(shè)置不同，他們的系統(tǒng)使用標(biāo)準(zhǔn)的硬件組件，與傳統(tǒng)的逐層 3D 打印機(jī)中使用的硬件組件類似。區(qū)別在于其專有算法，能夠驅(qū)動(dòng)體積3D打印過程。

這種以軟件為中心的方法不僅可以控制硬件成本，還可以開發(fā)適合客戶需求的定制硬件解決方案。Uzcategui 補(bǔ)充道：“相信開放式樹脂系統(tǒng)可以讓客戶在 HD-VAM 系統(tǒng)中使用自己的材料，只需經(jīng)過 Vitro3D 認(rèn)證并添加到算法的材料庫中即可。”

體積 3D 打印的挑戰(zhàn)和前景

體積 3D 打印在新生階段具有固有的局限性，特別是在尺寸和分辨率方面。然而Uzcategui相信，盡管存在這些限制，他們的 HD-VAM 體積 3D 打印工藝有望解決某些行業(yè)中的重大挑戰(zhàn)，是目前逐層3D打印無法實(shí)現(xiàn)的。

Uzcategui 強(qiáng)調(diào)了歐洲對(duì) PFAS 和 PFOA 等“永久化學(xué)品”的使用越來越多的限制，預(yù)計(jì)這些限制很快將成為全球規(guī)范。他表示，“我們可以使用高粘度樹脂，這些樹脂在韌性方面通常具有更好的材料性能，使得體積3D打印成為創(chuàng)造這些化學(xué)品替代品的可能選擇�！�

體積3D打印因其創(chuàng)建高價(jià)值、高混合、小批量零件的能力而大放異彩。Uzcategui 認(rèn)為這是快速迭代新技術(shù)的途徑，在不斷變化和收縮的移動(dòng)樹脂漩渦中確保精確的材料行為是復(fù)雜的，需要對(duì)光與材料的相互作用有深刻的理解和細(xì)致的控制。Uzcategui 注意到像 Carbon 這樣的公司在了解材料與光如何相互作用方面投入了大量資金所取得的成功，并強(qiáng)調(diào)了這種相互作用在體積增材制造中的重要性。

著眼于商業(yè)化，Vitro3D 有望于2024年部署其首個(gè)場外系統(tǒng)，并正在與早期采用者討論定于 2024 年末進(jìn)行的試點(diǎn)項(xiàng)目。這家初創(chuàng)公司的商業(yè)化之旅以協(xié)作精神為基礎(chǔ)，旨在與行業(yè)參與者一起制定解決特定制造挑戰(zhàn)的解決方案。作為一家羽翼未豐的初創(chuàng)公司，Vitro3D 堅(jiān)信，他們的定制方法能讓自己在競爭激烈的市場中脫穎而出，它正一步步接近其目標(biāo)——成為工業(yè)技術(shù)顛覆性力量、準(zhǔn)確滿足客戶挑戰(zhàn)。