Hög-effektiv multiskalig holografisk volymetrisk 3D-utskrift med en fasljusmodulator

Skriva ut objekt i ett ljusblixt

Föreställ dig att skapa ett detaljerat 3D-objekt inte genom att stapla tunna lager, utan genom att härda hela formen på en gång inne i en burk med vätska. Denna artikel presenterar ett nytt sätt att göra just det, genom att använda noggrant formade ljusmönster för att ”skriva” komplexa objekt på sekunder, från pyttesmå delar mindre än ett sandkorn till bitar i storlek med ett mänskligt öra. Arbetet förklarar hur en ny typ av ljusformande chip kraftigt ökar effektiviteten, vilket gör snabb och precis volymetrisk 3D-utskrift mer praktisk för teknik, medicin och bioframställning.

Från lageruppbyggnad till solida volymer

Konventionella 3D-skrivare bygger vanligtvis objekt lager för lager, vilket kan vara långsamt och lämna synliga trappstegsmarkeringar. Volymetrisk additiv tillverkning hoppar över lagren genom att projicera ljusmönster in i en fotosensitiv vätska så att hela 3D-objektet härdas på en gång. Tidigare system förlitade sig på enheter som slog små speglar helt på eller av för att projicera ljusstyrkemönster. Även om dessa fungerade, slösade dessa ”amplitud”-enheter bort största delen av inkommande ljus, vilket innebar att kraftfulla och dyra ljuskällor krävdes för att skriva ut annat än de minsta delarna.

Ett nytt sätt att forma ljus

Författarna ersätter den traditionella spegelmatrisen med en ny ”fasljusmodulator”, ett mikrochip gjort av kolvmässiga speglar som rör sig upp och ner för att fördröja ljusvågen istället för att bara blockera den. Denna subtila kontroll av fas gör det möjligt att bilda hologram: interferensmönster som återskapar fullständiga 3D-ljusfält inne i hartset. Efter noggrann kalibrering av de 16 fasnivåerna för varje spegel visar teamet att deras fasbaserade system dirigerar cirka 24 procent av laserstyrkan in i det användbara mönstret, ungefär 70 gånger mer effektivt än tidigare amplitudupplägg och dubbelt så effektivt som äldre holografiska lösningar med standard-spegelfilter.

Skärpa fokus och släta ut brus

För att skriva ut fina detaljer genom hela hartsvolymen formar teamet grundfokus för laserstrålen till en Bessel-stråle, ett speciellt mönster som förblir skarpt över ett långt avstånd istället för att snabbt suddas ut. De åstadkommer detta genom att lägga till ett virtuellt axikon-linsmönster i sina hologram så att varje ljus pixel blir en smal, självbehållande kolonn av ljus. Hologram gjorda med koherent laserljus tenderar dock att vara prickiga och korniga, vilket kan lämna grova strimmor eller luckor i utskrivna delar. För att motverka detta genererar forskarna flera lätt förskjutna versioner av varje hologram och visar dem i snabb följd, så att hartset ”ser” endast medelvärdet, en mycket jämnare intensitet. Noggrant val av förskjutningsstorlek, anpassat till speckelns kornstorlek, minimerar den oönskade kornigheten.

Objekt från mikroskala till människostorlek

Med ett mer effektivt och renare ljusfält skriver systemet ut en serie testobjekt i olika material. I ett kommersiellt akrylat harts skalar forskarna samma digitala design upp och ner för att producera fusilli-formade spiraler, den kända Stanford-kaninen och en DNA-dubbelspiral. Mikro-CT-skanningar visar att den minsta positiva strukturen är omkring 30 mikrometer tjock, jämförbar med bredden av ett fint mänskligt hår delat på två. Ytan på dessa utskrifter är märkbart slätare när speckelreduceringsmetoden används. Teamet går sedan vidare till mjuka hydrogel, inklusive cellbärande geler som efterliknar biologisk vävnad, och demonstrerar komplexa flerkammarformer fyllda med levande fibroblastceller. Även i dessa grumliga, spridande material behåller Bessel-strålarna sitt fokus tillräckligt väl för att bilda precisa strukturer. Slutligen visar de att en modell av ett mänskligt öra, med måtten 3 × 3 × 4 centimeter, kan skrivas ut på ungefär två minuter med endast en 150 milliwatt diodlaser, tack vare den förbättrade effektiviteten och ett mer reaktivt gelatinbaserat harts.

Vad detta betyder för framtidens 3D-utskrift

Enkelt uttryckt visar detta arbete att smartare kontroll över hur ljusvågor böjs och interfererar inne i en vätska kan förändra volymetrisk 3D-utskrift. Genom att byta från av–på-speglar till ett fasformande chip, och genom att dämpa korniga speckelmönster, uppnår författarna snabbare utskrift, slätare ytor och pålitliga detaljer som sträcker sig från tiotals mikrometer till hela centimeter. Medan kemiska faktorer som syre fortfarande begränsar de minsta detaljerna, öppnar tillvägagångssättet en väg mot kompakta, energieffektiva skrivare som snabbt kan skapa intrikata delar, mjuka enheter och till och med modeller av levande vävnad utan att förlita sig på skrymmande, högeffektslasrar.

Citering: Álvarez-Castaño, M.I., Rizzo, R., Sgarminato, V. et al. High-efficiency multi-scale holographic volumetric 3D printing with a phase light modulator. Light Sci Appl 15, 241 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02331-4

Nyckelord: volymetrisk 3D-utskrift, holografisk utskrift, fasljusmodulator, Bessel-strålar, bioprinting