在复杂嵌件周围进行体积增材制造以构建复杂几何形状

在形状内打印形状

想象一下能够直接在金属工具、电子传感器或一块骨头周围“生长”出定制的塑料结构——无需粘接、螺丝固定或将各部件模制后再组装。本文探索了一种新的3D打印策略，正是能够实现这一点，即便内嵌物体与外壳都具有非常复杂的形状。研究表明，通过在打印过程中谨慎选择这些物体的朝向，可以决定零件是干净、精确成形，还是失败、半成品化。

一种不同的3D打印方式

大多数3D打印机以层层堆叠的方式构建物体，就像叠煎饼一样。当你想在已有物体周围打印——即所谓的“嵌件”——时，这种方法会遇到困难：移动的打印头可能会撞到嵌件，而基于光的打印会产生阴影，阻止关键区域的材料固化。断层体积增材制造（Tomographic Volumetric Additive Manufacturing，简称VAM）可以避免这些问题。它不是逐层绘制，而是从多个方向投射光图案进入旋转的液态树脂柱体。凡是树脂吸收了足够的光的区域，会一次性整体固化。由于体积内没有移动的打印头，且光来自多个角度，VAM天然适合在预先存在的嵌件周围打印。

为何阴影至关重要

当嵌件置于树脂中时，会阻挡部分光线。对于简单形状——例如光滑的金属半球——我们的直觉通常足以将它放在一个“良好”的朝向，使大多数区域仍能接收到所需的光。但对于带有扭曲、孔洞和内凹结构的复杂嵌件，这种直觉就失效了。在这种情况下，期望打印的外壳的某些部分可能会处于深阴影中，永远得不到足够的光而无法固化；而其他区域则可能因过曝而在不该生长的地方出现材料。作者指出，在VAM中，关键因素是计划零件中每个微小体积单元（体素）能从多少不同方向接收到光。方向越多，通常就越能更精确地控制树脂的固化位置。

让计算机选出最佳角度

为了解决这个问题，研究者构建了四个测试案例，将一个复杂的空心外部结构与四种截然不同的嵌件形状组合，范围从简单的半球到高度复杂的“gyroid”晶格。然后他们定义了一个代价函数，该函数通过统计计划零件的每个体素在不被阻挡的情况下能从多少个方向接收光来对任一给定朝向进行评分。那些许多体素只能从很少方向看见光的朝向会被惩罚；而大多数体素能从多个方向接收光的朝向得分更好。利用一种称为差分进化的优化算法，计算机在嵌件与零件组合的可能旋转中搜索，找到最小化该代价的朝向——基本上就是能最好地减少光学阴影影响的朝向。

从仿真到实际零件

团队首先在模拟光在树脂中传播的计算机仿真中测试了他们的朝向策略。他们用包括雅卡尔德指数（Jaccard index）在内的准确性度量，把预测的打印形状与目标设计进行了比较，雅卡尔德指数量化了模拟打印与目标模型的重叠程度。在四个基准中的三个中，优化朝向显著提高了这些评分，尤其是对于最复杂的嵌件。在下一步中，他们构建了一个定制的VAM设备，使用经改良以在蓝光下固化的商业牙科树脂，实际打印了这些零件。微型CT扫描——本质上是微小的三维X射线——证实了仿真趋势：当朝向被优化时，期望的结构更大程度地正确成形，缺失区域更少，固化材料也更深入地进入复杂嵌件的凹槽中。

对未来设备的意义

对非专业读者而言，主要结论是：作者展示了一种实用的方法，通过简单地选择合适的打印朝向，就可以在同样复杂的内部部件周围“生长”复杂的塑料结构。他们的方法不需要重新设计打印机或嵌件，而是通过软件预测阴影出现的位置并旋转组件以最小化它们。这使得在保护性、定制形状的塑料外壳内嵌入电子设备、机械部件或生物医用支架变得更可行。随着断层体积增材制造的发展，这种面向朝向的打印方法有望帮助工程师制造更坚固的工具、更智能的传感器以及难以或不可能用传统制造方法生产的患者特定植入物。

引用: Bagheri, A., Zakerzadeh, M.R., Sadigh, M.J. et al. Volumetric additive manufacturing of complex geometries around complex inserts. Sci Rep 16, 6522 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35258-2

关键词: 体积增材制造, 在嵌件周围的3D打印, 基于光的3D打印, 朝向优化, 嵌入式电子设备