Druk 3D o objętości poniżej sekundy poprzez syntezę holograficznych pól świetlnych

Precyzyjna i wydajna produkcja złożonych struktur 3D jest coraz ważniejsza w różnych dziedzinach, takich jak mechanika strukturalna ^{3 , 4 , 5} , fotonika ⁶ , farmacja ⁷ , inżynieria tkankowa ^8 , 9 i przesiew leków ^10. Tradycyjne metody, takie jak formowanie ¹¹ i separacja faz ¹² , są wydajne w produkcji masowej, ale okazują się kosztowne i czasochłonne przy modyfikacji struktur. Metody drukowania 3D, takie jak stereolitografia ¹³ , cyfrowe przetwarzanie światłem ^{14 , 15 , 16} i polimeryzacja dwufotonowa ^{17 , 18 , 19,} oferują dużą elastyczność w wytwarzaniu skomplikowanych projektów 3D z wysoką precyzją, chociaż ich wydajność jest daleka od wystarczającej do produkcji masowej. Podejmowano wysiłki w celu zwiększenia szybkości produkcji i zmniejszenia efektów warstwowania. Ciągła produkcja z wykorzystaniem ciekłego interfejsu ^20 , 21 wykorzystuje inhibicję tlenową, aby uniknąć ruchu posuwisto-zwrotnego podczas drukowania ciągłych warstw i integruje ciągły wałek do produkcji wsadowej ^22, ale procesy drukowania są zasadniczo warstwowe. Xolografia ²³ to forma objętościowego wytwarzania addytywnego, która polega na przemieszczaniu lekkiego arkusza przez nieruchomą żywicę. Pomimo niedawnej modernizacji z wykorzystaniem ciągłej produkcji z wykorzystaniem systemu sterowania płynem ²⁴ , dwukolorowy fotoinicjator wymaga czasu na powrót do pierwotnego stanu, co ogranicza jego objętościowe tempo narastania.

Aby rozwiązać ten problem, wolumetryczny druk 3D, którego przykładem jest komputerowa litografia osiowa (CAL) ¹ , jawi się jako obiecująca technika umożliwiająca jednoczesne drukowanie całej objętości przy użyciu kontrolowanych rozkładów światła 3D generowanych przez wzory świetlne pod różnymi kątami. Ponieważ mniejsza liczba kątów używanych podczas projekcji znacznie pogarsza rozdzielczość przestrzenną z powodu braku stożka w domenie częstotliwości, podobnie jak w tomografii komputerowej, obecne techniki CAL obejmują obrót próbki o 360° w celu uzyskania precyzyjnej rekonstrukcji tomograficznej ^1 , 25 . Jednak wymóg obrotu próbki utrudnia drukowanie in situ i ogranicza prędkość obrotową, aby uniknąć drgań mechanicznych wpływających na rozdzielczość druku i ustawienie systemu. W tym przypadku zazwyczaj wymagana jest farba drukarska o dużej lepkości, aby zapobiec zapadaniu się próbki podczas dziesiątek sekund drukowania obiektów w skali milimetrowej, co ogranicza możliwość zintegrowania kontroli przepływu w celu dalszej poprawy wydajności drukowania ^{1 , 2 , 25 , 26 , 27 , 28} . Ponadto, gdy próbujemy dalej zwiększyć rozdzielczość drukowania za pomocą obiektywu o dużej aperturze numerycznej (NA) do wzbudzenia, efekt dyfrakcji światła, kiedyś pomijalny, teraz wyłonił się jako poważne wyzwanie, stwarzając trudności w utrzymaniu precyzyjnej modulacji na dużej głębi ostrości ^{29 , 30 , 31} . Dlatego też szybka, wysokoprzepustowa, kolejna produkcja obiektów w skali milimetrowej z wysoką rozdzielczością pozostaje wyzwaniem systemowym.

Przedstawiamy cyfrową niespójną syntezę holograficznych pól świetlnych, nazwaną DISH, w celu uzyskania szybkiego i wysokiej rozdzielczości druku objętościowego obiektów milimetrowych w ciągu 1 sekundy. Zamiast obracać próbkę, zaprojektowaliśmy obrotowy peryskop z obiektywem 0,055-NA o dużym zasięgu roboczym, aby dostarczać projekcje o wysokiej rozdzielczości precyzyjnie kontrolowanych pól świetlnych z prędkością obrotową do 10 obrotów s ⁻¹ . Chociaż światło częściowo spójne lub niespójne ma płytką głębię ostrości, używamy spójnego źródła laserowego z cyfrowym urządzeniem mikrozwierciadlanym (DMD) do szybkiego generowania zoptymalizowanych wzorów z częstotliwością do 17 000 Hz, co pozwala na osiągnięcie modulacji o wysokiej rozdzielczości nawet z dużej odległości od płaszczyzny obiektywu, bez konieczności mechanicznego przesuwania płaszczyzny ogniskowej. Chociaż DMD nie może bezpośrednio modulować fazy pól świetlnych, opracowujemy iteracyjny algorytm z modelem propagacji optyki falowej i dostosowaną funkcją strat w celu holograficznej optymalizacji rzutowanych pól świetlnych w celu uzyskania modulacji 3D o wysokiej rozdzielczości ze zwiększoną wiernością w porównaniu z tradycyjnymi algorytmami. Dzięki znacznie zwiększonej prędkości obrotowej i rozdzielczości w porównaniu z tradycyjnymi metodami CAL, DISH staje się bardzo wrażliwy na błędy systemowe, takie jak rozbieżność systemu, aberracja i tłumienie. Dlatego opracowujemy metodę szybkiej kalibracji opartą na optyce adaptacyjnej, aby osiągnąć eksperymentalnie jednorodną rozdzielczość optyczną 11 µm na głębokości 1 cm, umożliwiając szybką produkcję próbek z najdrobniejszą cechą dodatnią 12 µm i stabilną rozdzielczością drukowania 19 µm (Rozszerzone dane, rys.  1 ). Różne materiały o różnym poziomie lepkości są walidowane pod kątem zgodności z DISH. Łącząc zalety wysokiej wydajności i wysokiej precyzji, integrujemy DISH z kanałem fluidalnym, aby zademonstrować sukcesywną, elastyczną produkcję złożonych i zróżnicowanych struktur 3D w materiałach o niskiej lepkości, co może otworzyć perspektywy dla różnych zastosowań, takich jak biodrukowanie o wysokiej przepustowości, badanie leków, mikromaszyny i miniaturyzowana fotonika.

Aby uniknąć niestabilności szybkiego obrotu próbki w tradycyjnych metodach CAL, opracowujemy obrotowy peryskop w DISH, aby ułatwić szybkie projekcje pól świetlnych przy maksymalnie 10 obrotach s ⁻¹ (rys.  1a,b i rozszerzone dane rys.  2 ). DMD jest używany do generowania modulacji światła o wysokiej rozdzielczości przy prędkościach do 17 000 Hz. Peryskop jest umieszczony przed obiektywem, zmieniając kierunek propagacji wzorzystych wiązek. Wzory DMD są dokładnie zsynchronizowane z kątami obrotu w celu niespójnej syntezy trójwymiarowych rozkładów natężenia światła (rozszerzone dane rys.  3 ). Dzięki szybkiej zmianie kątów oświetlenia, DISH wykorzystuje prędkość obrotową silnika jako główny wyznacznik czasu ekspozycji. Wszystkie wiązki są rzutowane przez pojedynczą płaską powierzchnię pojemnika w celu generowania wzorów 3D, co upraszcza wymagania dotyczące pojemnika drukującego i ułatwia zastosowania takie jak drukowanie in situ na określonych obiektach lub biodrukowanie in vivo. Nasze eksperymentalne testy wykazały, że DISH może ukończyć druk 3D obiektu o wielkości milimetra w zaledwie 0,6 sekundy w wodnym roztworze diakrylanu glikolu polietylenowego (PEGDA) (rys.  1c i film uzupełniający  1 ). W tradycyjnych metodach CAL, ze względu na czas drukowania trwający dziesiątki sekund, wymagane są materiały światłoczułe o wysokiej lepkości (6000–10 000 cP), aby złagodzić efekt zapadania się produktu32 ^. Ultrawysoka prędkość drukowania DISH może skutecznie zniwelować te ograniczenia i sprawdzać się w przypadku materiałów o niskiej lepkości, wynoszącej 4,7 cP, co pozwala na drukowanie przed zapadnięciem się próbki.

Alternatywny tekst dla tego obrazu mógł zostać wygenerowany przy użyciu sztucznej inteligencji.

Obraz w pełnym rozmiarze

a , Projekcja wielokątna służy do generowania trójwymiarowych rozkładów natężenia światła w nieruchomym pojemniku do druku wolumetrycznego. b , Obrotowy peryskop został zaprojektowany do generowania szybkich, obrotowych projekcji wzorców światła modulowanych przez DMD w ciągu 0,6 s. Model docelowy i jego wydruk eksperymentalny przedstawiono po prawej stronie jako przykład. c , Obrazy zarejestrowane w różnych punktach czasowych pokazują, że proces drukowania w wodnym roztworze PEGDA o niskiej lepkości można zakończyć w ciągu 0,6 s. d , Porównanie symulowanych trójwymiarowych rozkładów światła generowanych przez system DISH ze światłem niespójnym, światłem spójnym bez optymalizacji holograficznej i światłem spójnym z optymalizacją holograficzną. Docelowy model rzeczywisty jest również pokazany po lewej stronie. Podziałka: 1 mm.

Aby jeszcze bardziej zwiększyć rozdzielczość druku, używamy obiektywu o dużej odległości roboczej z NA 0,055 do projekcji światła. Jednak wraz ze wzrostem rozdzielczości, efekt dyfrakcji światła nie może być zignorowany przez proste zastosowanie przybliżenia promienia. W przypadku światła częściowo spójnego lub niespójnego, zwykle stosowanego w poprzednich metodach CAL, skanowanie osiowe będzie wymagane do pokrycia dużego zakresu objętości ze względu na małą głębię ostrości przy wysokiej NA (około 0,4 mm dla 0,055 NA przy 405 nm), co zmniejszy prędkość drukowania obiektów w skali milimetrowej, aby zachować wysoką rozdzielczość (rys.  1d ). W DISH rozwiązujemy ten problem, stosując spójne źródło laserowe i holograficznie obliczając i optymalizując pola światła, co może osiągnąć modulację o wysokiej rozdzielczości daleko poza natywną płaszczyzną obiektywu bez mechanicznego przesuwania płaszczyzny ogniskowej. W połączeniu z szybką cyfrową modulacją DMD, po specjalnie zaprojektowanej optymalizacji, możemy uzyskać trójwymiarowe modulacje światła o wysokiej rozdzielczości w szerokim zakresie głębokości, sięgającym nawet 1 cm, ponad 20-krotnie większym niż głębia ostrości. Wzbudzenie wielokątowe oferuje również wystarczającą swobodę, aby generować trójwymiarowe rozkłady natężenia o wysokiej rozdzielczości poprzez modulację DMD podczas optymalizacji.

W odróżnieniu od procesu optymalizacji w metodach CAL ^{33 , 34 , 35 , 36 , 37 , 38} wykorzystujących aproksymacje promieniowe dla pola światła, opracowano algorytm iteracyjny „od zgrubnego do dokładnego” dla DISH w celu optymalizacji binarnych wzorów projekcji w DMD z wykorzystaniem modelu optyki falowej dla światła spójnego. Wzory projekcji dla różnych kątów są sumowane niespójnie w celu wygenerowania trójwymiarowych rozkładów intensywności o wysokiej rozdzielczości, umożliwiających drukowanie z wysoką wiernością, po uwzględnieniu reakcji materiałów fotoutwardzalnych ³⁹ , co można przedstawić w postaci następującego problemu optymalizacyjnego:

w którymreprezentuje skumulowaną dawkę w każdym punkcie 3D w obszarze obiektywu, która jest określana przez natężenie wiązek wzorcowych I , czas ekspozycji i tłumienie światła w materiałach. A reprezentuje obszar 3D modelu docelowego do wydrukowania, w którym oczekuje się skumulowanej dawki d _h dla polimeryzacji, aoznacza obszar poza obszarem docelowym, w którym skumulowana dawka ma być mniejsza od progu d _l, aby uniknąć nadmiernej ekspozycji.jest amplitudą rzutowaną DMD dla kąta φ .Reprezentuje proces propagacji światła w optyce falowej, uwzględniający refrakcję na styku powietrza i materiału. Minimalizując funkcję strat, możemy zoptymalizować binarne wzory projekcji, aby uzyskać precyzyjne rozkłady natężenia w 3D i poprawić dokładność druku ( Metody ).

Ponieważ taki binarny problem optymalizacji dyskretnej, obejmujący ponad 0,1 miliarda wokseli dla obiektu o skali milimetrowej, jest bardzo czasochłonny, opracowujemy algorytm iteracyjny od zgrubnego do dokładnego, aby zmniejszyć koszty obliczeniowe (rys.  2a ). Najpierw optymalizujemy ten problem, wykorzystując istniejące algorytmy gradientu spadkowego33,34, ^{aby uzyskać} trójwymiarowe rozkłady intensywności o wysokiej rozdzielczości ^.Dla N dyskretnych kątów o tych samych dwuwymiarowych rozkładach wzdłuż kąta φ . Następnie wykorzystujemy syntezę G sąsiednich wzorców projekcji binarnej wokół kąta φ jako grupy. Grupy te dla każdego kąta są sekwencyjnie optymalizowane za pomocą holograficznego algorytmu iteracyjnego ( Metody ) w celu dopasowania docelowych rozkładów intensywności o wysokiej rozdzielczości.w szerokim zakresie głębokości bez konieczności mechanicznego przesuwania płaszczyzny ogniskowej. Schemat blokowy optymalizacji holograficznej przedstawiono na rys.  4 z danymi rozszerzonymi , ilustrując konieczność optymalizacji holograficznej w przypadku projekcji 3D o wysokim kontraście.

Alternatywny tekst dla tego obrazu mógł zostać wygenerowany przy użyciu sztucznej inteligencji.

Obraz w pełnym rozmiarze

a , Diagram ilustrujący holograficzny algorytm optymalizacji dla projekcji wielokątowych. Opracowano iteracyjny holograficzny algorytm optymalizacji wzorów binarnych dla każdego kąta. b , Porównanie zoptymalizowanych wzorów za pomocą tradycyjnego algorytmu PM i naszego holograficznego algorytmu optymalizacji. c , Produkty symulowane i przekroje czynne uzyskane metodą PM i naszą metodą. d , Krzywe indeksu Jaccarda między produktami symulowanymi a celem w funkcji liczby całkowitych wzorców projekcji binarnych dla każdej rundy obrotu. Porównano krzywe trzech różnych metod, w tym algorytmu PM, globalnego algorytmu Gerchberga-Saxtona (GS) i naszego algorytmu. e , Krzywe indeksu Jaccarda między produktami symulowanymi a celem w funkcji liczby całkowitych wzorców projekcji binarnych dla każdej rundy obrotu. Pokazano krzywe naszej metody z różnymi parametrami binaryzacji.

Dane źródłowe

W porównaniu z poprzednimi metodami minimalizacji kar (PM) z przybliżeniem promienia stosowanymi w CAL ³³ , nasza metoda może w pełni wykorzystać zaletę spójnego źródła światła dla holograficznych pól świetlnych w celu generowania struktur 3D o wysokiej rozdzielczości w zakresie głębokości około 1 cm dla obiektywu 0,055-NA (rys.  2b,c ). Porównaliśmy również naszą metodę z globalnym algorytmem Gerchberga-Saxtona ⁴⁰ , tradycyjną iteracyjną metodą optymalizacji wzorów holograficznych. Nasza metoda osiąga dokładniejszy rozkład intensywności pod względem indeksu Jaccarda i odległości ze znakiem, jak pokazano na rys.  2d i rozszerzonych danych rys.  5 . Przeprowadziliśmy dalszą analizę wpływu całkowitej liczby wzorów projekcji i parametru binaryzacji G na dokładność drukowania. Więcej projekcji zwiększy wierność drukowania i ogólnie zbiegnie się z ponad 1000 projekcjami binarnymi dla różnych G . Nasz DMD może szybko wyświetlać 1000 wzorów w ciągu 0,06 s, co zapewnia wysoką prędkość drukowania. Chociaż niższy parametr binaryzacji G pozwala osiągnąć konwergencję przy mniejszej liczbie projekcji, prowadzi to do utraty ogólnej informacji o skali szarości i niższej wierności (rys.  2e i rys. 6 z danymi rozszerzonymi  ). Wydajność stopniowo się zbiega, gdy G jest większe niż 3. Dlatego w praktycznych eksperymentach wybieramy G  = 10 i całkowitą liczbę projekcji 1800 (co odpowiada 180 zgrubnym dawkom 3D).

Zbudowaliśmy system proof-of-concept, aby eksperymentalnie sprawdzić wydajność DISH. Dzięki ulepszeniom zarówno prędkości drukowania, jak i rozdzielczości, DISH jest znacznie bardziej czuły niż poprzednie metody CAL na błędy systemowe, takie jak niewielkie rozbieżności systemu, aberracje optyczne i tłumienie wiązki. Dlatego też, staranna kalibracja systemu jest kluczowa dla osiągnięcia wysokiej wydajności eksperymentalnie. Jak pokazano na rys.  7 w rozszerzonych danych , wiązka ulega załamaniu na powierzchni między powietrzem a materiałem podczas propagacji. Wzór wiązki będzie nierównomiernie modulowany po procesie refrakcji, co prowadzi do rozmycia na krawędzi (rys.  3a ). Dlatego też wzięliśmy ten proces refrakcji pod uwagę podczas falowo-optycznego modelu propagacji wiązki w algorytmie optymalizacji, aby zmniejszyć błędy ( Metody ).

Alternatywny tekst dla tego obrazu mógł zostać wygenerowany przy użyciu sztucznej inteligencji.

Obraz w pełnym rozmiarze

a , Ilustracja wpływu refrakcji na styku powietrza i materiału poprzez przedstawienie widm amplitudowych i kątowych przed i po refrakcji. b , Schemat ilustrujący proces kalibracji oparty na optyce adaptacyjnej poprzez aktualizację zoptymalizowanych wzorców na DMD dla każdego kąta na podstawie obrazów fluorescencyjnych zarejestrowanych przez dwie kamery ortogonalne. c , Wiązka rzutowana z φ  = 0°, zarejestrowana przez kamerę przednią, co pomaga określić położenie płaszczyzny sprzężonej. Obraz został skompresowany w kierunku pionowym około dziesięciokrotnie. d , Eksperymentalne obrazy fluorescencyjne dwóch sześcianów wygenerowane przez DISH przed i po kalibracji. e , Eksperymentalne obrazy fluorescencyjne wiązek skupionych w kilku pozycjach osiowych na obszarze drukowania z odstępem osiowym 2,4 mm. f , Eksperymentalne obrazy fluorescencji trzech punktów o zaprojektowanej wielkości 10,8 μm i odstępie 10,8 μm, zlokalizowanych w środku nadruku (górny rząd) i w odległości 4,8 mm od środka nadruku (dolny rząd). Cel wzorcowy przedstawiono w pierwszej kolumnie. Wyniki uzyskane dwiema różnymi metodami optymalizacji (naszym holograficznym algorytmem optymalizacji i projekcją wsteczną) przedstawiono wraz z odpowiadającymi im zoptymalizowanymi wzorcami dla kilku kątów po lewej stronie. Podziałki: 100 μm ( c ); 1 mm ( d , e ); 50 μm ( f ).

Ponadto DISH jest niewspółosiowym, wielowidokowym układem optycznym. Podczas obrotu peryskopu, jakiekolwiek niedopasowanie w różnych projekcjach kątowych będzie prowadzić do rozmycia zintegrowanej intensywności, podobnie jak nierównomierne aberracje optyczne. Dlatego opracowaliśmy metodę kalibracji opartą na optyce adaptacyjnej, aby skalibrować projekcję każdego kąta na poziomie pojedynczego piksela i zapewnić, że wszystkie nachylone wiązki precyzyjnie zachodzą na siebie w pozycjach docelowych. Zainspirowani cyfrową optyką adaptacyjną w obrazowaniu skaningowego pola światła41 ^, 42 , intensywność światła została najpierw uchwycona w materiale fluorescencyjnym przez dwie kamery umieszczone w kierunkach ortogonalnych, które działały jako czujniki frontu fali, aby wykryć stopnie rozbieżności (rys.  3b ). Następnie możemy bocznie przesunąć wzorce projekcji dla każdego kąta w DMD, wykorzystując zmierzone rozbieżności jako sprzężenie zwrotne (rozszerzone dane, rys.  8 ). Obracając peryskop i przechwytując obrazy wiązek dla każdego kąta, możemy sekwencyjnie kalibrować każdą projekcję kątową na podstawie relacji między pikselami DMD, kątami platformy i pozycjami 3D. Ponadto parametry falowo-optyczne, takie jak odległość propagacji do natywnej płaszczyzny ogniskowej DMD, zostały skalibrowane poprzez projekcję zaprojektowanych pasków (rys.  3c ). Cały proces kalibracji można zakończyć w ciągu kilku minut i wymaga on tylko jednorazowego wykonania dla stałego systemu DISH bez konieczności jakichkolwiek modyfikacji sprzętowych. Dokładne rozkłady intensywności 3D do drukowania można następnie uzyskać eksperymentalnie po optymalizacji wzorca i kalibracji systemu opartej na optyce adaptacyjnej (rys.  3d ).

Aby ilościowo scharakteryzować rozdzielczość optyczną DISH, najpierw zobrazowaliśmy intensywność projekcji 3D generowanej przez DISH w roztworze fluorescencyjnym, przy czym czas ekspozycji kamer ustawiono dokładnie jako czas obrotu wymagany do 360°. Jak pokazano na rys.  3e,f , rzutowaliśmy wzory potrójnych punktów, każdy o rozmiarze cechy i odstępie bocznym 10,8 μm, co odpowiada dwóm pikselom DMD, w różnych położeniach osiowych z odstępem osiowym 2,4 mm. Chociaż wzory zoptymalizowane przez projekcję wsteczną i naszą metodę zarówno z powodzeniem wygenerowały struktury o wysokiej rozdzielczości w środku drukowania w pobliżu płaszczyzny ogniskowej, metoda projekcji wstecznej uległa degradacji w położeniu osiowym 4,8 mm od środka drukowania ze względu na efekt rozogniskowania. Natomiast nasza metoda zachowała cechy o wysokiej rozdzielczości nawet w płaszczyźnie poza ogniskiem (głębokość ostrości <0,4 mm dla obiektywu 0,055-NA) po optymalizacji holograficznej (rys.  3f ).

Aby kompleksowo ocenić eksperymentalną rozdzielczość druku DISH, użyliśmy DISH do wydrukowania różnorodnych struktur próbek. Najpierw wydrukowaliśmy paski o wysokiej rozdzielczości na powierzchni 3D, aby ocenić rozdzielczość w różnych pozycjach osiowych. Zaprojektowano model o długości osiowej 1 cm z wyróżnionymi liniami o różnej szerokości na powierzchni, przy czym najmniejsza szerokość linii, wynosząca 10,8 μm, odpowiadała dwóm pikselom DMD (każdy piksel odpowiada około 5,4 μm w płaszczyźnie obiektywu). Taki model struktury reliefowej jest szczególnie wrażliwy na kontrast dawki, co czyni go odpowiednim do oceny ogólnej precyzji projekcji. Należy zauważyć, że lepszą rozdzielczość można uzyskać, stosując DMD o mniejszym rozmiarze i większej liczbie pikseli, ponieważ NA wynosząca 0,055 odpowiada granicy dyfrakcji wynoszącej około 3,68 μm przy 405 nm. Wydrukowane wyniki przedstawiono na rys.  4a,b , a szerokość linii zmierzono jako 11,0 ± 1,2 μm w całym zakresie głębokości. Natomiast produkt wygenerowany przez projekcje wsteczne przybliżenia promienia (rys.  4c ) wykazał znacznie niższą rozdzielczość z dala od środka drukowania, co wskazuje na płytką głębię ostrości dla wzbudzenia 0,055-NA. Dlatego DISH ze światłem spójnym i optymalizacją holograficzną umożliwia wysoką precyzję drukowania na 1 cm, ponad 20 razy większą niż głębia ostrości NA 0,055. Wydrukowano również inną próbkę pokrytą gęstymi paskami w celu sprawdzenia stabilności rozdzielczości w różnych obszarach (rys.  4d–f ). Ponadto ilościowo zmierzyliśmy szerokości linii w różnych pozycjach osiowych w próbce z rys.  4a , aby sprawdzić jednorodną rozdzielczość DISH dla obiektów w skali milimetrowej (rys.  4g ).

 

Alternatywny tekst dla tego obrazu mógł zostać wygenerowany przy użyciu sztucznej inteligencji.

Obraz w pełnym rozmiarze

a , Produkty o strukturze reliefowej wydrukowane przez DISH, wykazujące najmniejszy rozmiar cech w zakresie 1 cm. Zmierzone szerokości linii wynosiły odpowiednio 54,0 ± 2,9, 11,0 ± 1,2, 15,5 ± 1,9, 20,9 ± 2,3 i 33,1 ± 2,1 μm. b , Widok z bliska struktury reliefowej wydrukowanej przy użyciu wzorów zoptymalizowanych przez nasz holograficzny algorytm optymalizacji. c , Widok z bliska struktury reliefowej wydrukowanej przy użyciu wzorów zoptymalizowanych przez konwencjonalny algorytm tylnej projekcji ray-optic. d , Próbka struktury reliefowej z gęstymi paskami wydrukowana przez DISH. e , f , Obrazy z bliska krawędzi ( e ) i środka ( f ) próbki w d . g , Średnie szerokości linii zmierzone w różnych położeniach osiowych próbki w a , wykazujące jednorodną rozdzielczość 11 μm w zakresie głębokości 1 cm. Użyliśmy n  = 6 pomiarów dla każdego położenia, przy czym paski błędów przedstawiają odchylenie standardowe. h , i , Struktura rybiej ości i jej widok z bliska wydrukowany przez DISH, w którym zmierzono jej cechy dodatnie jako 11,9 ± 2,1 μm. j , Model pięcioramiennej gwiazdy z zaprojektowanymi kątami 36° i zmierzonymi kątami 36,0 ± 1,6°. k , Piramida trójkątna z ostrymi krawędziami. l – o , Model muszli ( l ) i wynik wydruku przez DISH ( m ). Zmierzono, że linie wyrównane w różnych kierunkach i położeniach osi z wynoszą 19,3 ± 3,4 μm ( n , o ). Ponieważ linie są rozłożone wzdłuż osi z , linie znajdujące się poza płaszczyzną ogniskową mikroskopu wyglądają jak rozmyte wzory. Do pomiaru szerokości użyto średniej ± odchylenia standardowego. Podziałki: 500 μm ( a – c ); 200 μm ( d – f ); 1 mm ( h , j – m ); 100 μm ( i , n , o ).

Dane źródłowe

Następnie przetestowaliśmy rozdzielczość druku na niezależnych pozytywnych cechach. Wydrukowano model rybiej ości z zaprojektowaną szerokością linii 10,8 μm (rys.  4h ). Zmierzona szerokość po wydrukowaniu wyniosła 11,9 ± 2,1 μm (średnia ± odchylenie standardowe) na różnych kościach w różnych obszarach (rys.  4i ). Wysoką eksperymentalną rozdzielczość druku można również uwidocznić za pomocą ostrych krawędzi i kątów struktur. Dlatego do wydrukowania gwiazdy (rys.  4j ) i trójkątnej piramidy (rys.  4k ) użyliśmy drukarki DISH. Zaprojektowany kąt gwiazdy wynosił 36°, a zmierzone kąty dla różnych obszarów wynosiły około 36,0 ± 1,6°, co potwierdza wysoką precyzję druku. Aby dodatkowo sprawdzić jednorodną rozdzielczość druku w całej objętości 3D i kierunkach, wydrukowaliśmy model muszli obejmujący linie wyrównane w różnych kierunkach i pozycjach osiowych (rys.  4l–o ). Szerokości linii po wydrukowaniu zmierzono na 19,3 ± 3,4 μm, co wskazuje na ogólną jednorodną rozdzielczość drukowania wynoszącą około 19 μm dla DISH na różnych strukturach pozytywowych. Podobną jednorodną wydajność drukowania potwierdzono poprzez drukowanie struktur okresowych na dużej objętości lub zakrzywionej powierzchni (Rozszerzone dane, rys.  9b–e ). Cechy negatywowe stanowią większe wyzwanie dla metod drukowania wolumetrycznego. Wydrukowaliśmy wewnętrzny model stożkowy, aby pokazać wszechstronność DISH na różnych strukturach. Zmierzone średnice wpisanego okręgu wyniosły około 50 μm (Rozszerzone dane, rys.  9f,g ). Na koniec wydrukowaliśmy skomplikowaną strukturę posągu Teodoryka i potwierdziliśmy wierność wydruku, porównując zaprojektowany model z wynikami skanowania metodą tomografii komputerowej promieni rentgenowskich na naszym wydrukowanym produkcie (Rozszerzone dane, rys.  9h ).

Zwiększając zarówno prędkość drukowania, jak i precyzję próbek w skali milimetrowej za pomocą ekspozycji objętościowej, DISH ułatwia masową produkcję różnorodnych struktur 3D, co jest krytyczne dla praktycznych zastosowań, takich jak wysokoprzepustowe badania leków43 ^, masowa produkcja fotonicznych urządzeń komputerowych44 ⁱ biodrukowanie45 ^. Aby zademonstrować tę zaletę, zintegrowaliśmy DISH z kanałem płynnym do szybkiego masowego druku 3D (rys.  5a ). Pompa została użyta do przesuwania produktów i uzupełniania materiału do drukowania, a sito zostało użyte do zbierania produktów do drukowania, jednocześnie oddzielając nieutwardzony materiał do ponownego użycia. Czas ekspozycji każdej próbki wynosił 0,6 s (dodatkowy film wideo  2 ). W odróżnieniu od tradycyjnych metod masowej produkcji z ustaloną formą dla tej samej struktury, DISH może sukcesywnie wytwarzać różne obiekty z wysoką wydajnością i dużą elastycznością (rys.  5b, c ).

 

Alternatywny tekst dla tego obrazu mógł zostać wygenerowany przy użyciu sztucznej inteligencji.

Obraz w pełnym rozmiarze

a , Schemat ilustrujący DISH zintegrowany z kanałem fluidalnym, pompą i sitkiem do masowej produkcji i zbierania wydruków w przepływie. b , Fotografie przedstawiające proces drukowania w przepływie. c , Różnorodne struktury wydrukowane z dużą prędkością przez DISH, w tym ramy sześcienne, ramy czworościanów, kwiaty, kałamarnice, plastry rdzenia kręgowego i rozwidlone rurki. d , e , Model cyfrowy ( d ) i wydruk PEGDA ( e ) posągu Teodoryka. f , Statuetka kałamarnicy wydrukowana za pomocą PEGDA. g , Model Benchy'ego wydrukowany za pomocą PEGDA. h , Helikalne rurki jako powszechne modele w zastosowaniach biologicznych. Wstrzyknięto czerwony i niebieski barwnik w celu wizualizacji. i , Samolot wydrukowany za pomocą DPHA. j , Ptak wydrukowany za pomocą BPAGDA. k , Rozdwojona rurka wydrukowana z miękkiego biomateriału GelMA. Podziałka: 5 mm ( b , c ); 1 mm ( d – k ).

Do zastosowań przemysłowych i inżynieryjnych zaprezentowaliśmy skomplikowane kształty o skomplikowanych powierzchniach i wiszących strukturach, takie jak posąg Teodoryka (rys.  5d,e ), kałamarnica (rys.  5f ) i Benchy (rys.  5g ), między innymi (rozszerzone dane, rys.  9 ). Do zastosowań biologicznych zaprezentowaliśmy spiralne rurki imitujące naczynia (rys.  5h i rozszerzone dane, rys.  9i ). Pustą strukturę sprawdzono poprzez wstrzykiwanie różnych kolorów tuszu. Ponieważ światło jest rzutowane tylko z jednej strony przez DISH, przyżyciowe biodrukowanie in situ różnych struktur na stałej powierzchni może być przeprowadzane z dużą prędkością. Ponadto, ponieważ cała objętość 3D jest drukowana jednocześnie, DISH umożliwia drukowanie niepodpartych łańcuchów, które są trudne do uzyskania w przypadku technik wytłaczania lub drukowania warstwowego (rozszerzone dane, rys.  9j ).

Ponadto DISH jest ogólną strukturą, która może być kompatybilna z popularnymi materiałami do druku 3D. Ponadto zaprezentowaliśmy zastosowanie kilku często używanych materiałów fotoutwardzalnych w DISH. Sztywne struktury wydrukowane z heksaakrylanu dipentaerytrytolu (DPHA) i diakrylanu bisfenolu A (1 glicerol/fenol) (BPAGDA) pokazano na rys.  5i,j oraz rozszerzonych danych na rys.  9n . Rurki wydrukowano również z hydrożeli na bazie biocząsteczek: metakrylanu żelatyny (GelMA) i metakryloilu fibryny jedwabiu (SilMA) (rys.  5k oraz rozszerzonych danych na rys.  9o ). Ponadto można również drukować materiały elastyczne, takie jak dimetakrylan uretanu (UDMA), jak pokazano na rozszerzonych danych na rys.  9p . Wszystkie te eksperymenty pokazują szerokie zastosowania DISH, charakteryzujące się zarówno dużą elastycznością, jak i wydajnością.

Podsumowując, przedstawiamy metodę wolumetrycznego druku 3D, DISH, która umożliwia sukcesywne wytwarzanie obiektów o wysokiej rozdzielczości i skali milimetrowej w ciągu 0,6 s. Dzięki integracji szeregu udoskonaleń w zakresie sprzętu i oprogramowania, system można skalibrować w ciągu kilku minut bez dalszych modyfikacji sprzętu, uzyskując eksperymentalnie jednorodną rozdzielczość druku wynoszącą około 19 μm dla obiektów o rozmiarze 1 cm w całym pojemniku.

W produkcji addytywnej wyższa rozdzielczość przestrzenna lub mniejszy rozmiar woksela skutkuje znacznym wzrostem liczby wokseli wymaganych na jednostkę objętości, co w konsekwencji zmniejsza objętościową szybkość budowy. Z drugiej strony, zwiększenie objętościowej szybkości budowy często odbywa się kosztem zmniejszonej rozdzielczości. Szybkość drukowania wokseli jest zatem parametrem, który umożliwia intuicyjną charakterystykę wydajności drukowania 3D w kilku skalach długości. Przy użyciu DISH, próbkę o objętości około 200 mm3 ⁽ rozszerzone dane rys.  2e ) można wytworzyć w minimalnym czasie ekspozycji 0,6 s, osiągając objętościową szybkość drukowania 333 mm3s⁻¹ ⁱ  szybkość ^drukowania wokseli 1,25 × 10⁻¹ ^wokseli  s⁻¹ ^przy rozmiarze woksela (11 μm) ²  × 22 μm (rozszerzone dane rys.  8e ). W porównaniu z innymi metodami drukowania 3D, DISH wykazuje dużą poprawę prędkości i rozdzielczości podczas wytwarzania próbek w skali milimetrowej (Rozszerzone dane, rys.  1 ). W przyszłości DMD i obrotowy peryskop mogą osiągnąć znacznie większą prędkość, nawet do 10 obrotów s ⁻¹ , aby jeszcze bardziej przyspieszyć tempo budowy, o ile zostanie użyte źródło lasera o większej mocy. Ponadto oczekuje się, że prędkość przetwarzania wsadowego w układzie fluidycznym ulegnie poprawie, gdy szybkie i stabilne przełączanie między stanami płynięcia i statyki zostanie zrealizowane dzięki precyzyjnej kontroli przepływu. Jeśli chodzi o koszt obliczeniowy algorytmu przed procesem drukowania, DISH jest porównywalny z innymi metodami holografii obliczeniowej31 ^. Mimo to, po uzyskaniu zestawów danych o wysokiej rozdzielczości, które uwzględniają aberracje refrakcyjne, wprowadzenie kompleksowych sieci neuronowych do generowania hologramów 3D46 ^, 47 i przyspieszenia jednostki przetwarzania grafiki (GPU) może znacznie zmniejszyć koszt obliczeniowy.

Na eksperymentalną rozdzielczość druku wpływają różne czynniki, takie jak metody projekcji, nieliniowa odpowiedź materiałów i struktury produktów docelowych. W roztworach fluorescencyjnych i wydrukach struktur reliefowych DISH zaobserwowano wysoce precyzyjne rozkłady dawki rzędu 11 μm (rys.  3f i 4a,b ). Jednakże nasze eksperymenty, a także odpowiednia literatura29 ^, wskazują, że izolowane małe struktury wymagają znacznie wyższego kontrastu dawki i są wrażliwe na otaczający rozkład dawki, co podkreśla potrzebę dokładniejszej kontroli dawki. Obecnie osiągnęliśmy ogólną rozdzielczość druku około 19 μm w całym zakresie efektywnej głębokości i 12 μm jako najdrobniejszą niezależną cechę dodatnią (rys.  4 ). Algorytmy, które mogą zwiększyć kontrast dawki lub uwzględnić dyfuzję, mogą dodatkowo poprawić ogólną rozdzielczość druku w pobliżu granicy dyfrakcji optycznej. Ponadto DMD o większej liczbie i mniejszym rozmiarze pikseli może dodatkowo poprawić wydajność druku, zapewniając większe pole widzenia lub wyższą rozdzielczość druku. Kolejnym czynnikiem obniżającym jakość produktu jest szum plamkowy, który powoduje niejednorodności intensywności i artefakty przypominające paski wzdłuż kierunku propagacji wiązki. Tradycyjna projekcja prostopadła powoduje nakładanie się pasów, tworząc wzory poprzeczne. Natomiast nasz system projekcji ukośnej eliminuje ten problem, co skutkuje mniej widocznymi paskami. Niemniej jednak, jakość powierzchni można by jeszcze bardziej poprawić, stosując kilka hologramów lub hologramy kafelkowe w celu tłumienia szumów plamkowych lub wprowadzając translację wiązki za pomocą elementów optycznych.

Proponowana konstrukcja oświetlenia jednostronnego umożliwia drukowanie in situ, ale wprowadza problem brakującego stożka, nieznacznie zmniejszając rozdzielczość osiową w porównaniu z rozdzielczością poprzeczną. Zmiana konstrukcji mechanicznej peryskopu może rozwiązać ten problem (Rozszerzone dane, rys.  10 ). Jednak znaczna zmienność kierunku propagacji dla zakrzywionych powierzchni pojemnika narusza przybliżenie paraksjalne wymagane do modelowania widma kątowego, w którym do modelowania procesu modulacji fazy indukowanego przez zakrzywioną powierzchnię podczas obliczeń potrzebna jest niezwykle wysoka częstotliwość próbkowania przestrzennego. W konsekwencji wymagane byłyby wyższe koszty obliczeniowe, a zarówno aberracje, jak i głębia ostrości powinny zostać ponownie ocenione, aby zapewnić rozdzielczość drukowanych struktur w tym przypadku.

Oprócz masowej produkcji różnorodnych próbek poprzez integrację DISH z urządzeniem fluidalnym, w przyszłości możliwe będzie zbadanie kolejnych zastosowań. Bezpośredni druk in situ w rurociągach i szalkach Petriego może znaleźć zastosowanie w biologii do wysokowydajnego screeningu leków. Masowe drukowanie w stałym, laminarnym przepływie wielu materiałów może być realizowane dzięki specjalistycznej technice fluidalnej24 ^{, 48. Fotoniczne} urządzenia obliczeniowe i różnorodne systemy obrazowania, takie jak moduł kamery w telefonach komórkowych, mogą być wytwarzane z dużą wydajnością za pomocą DISH. Dzięki wysokiej precyzji i wydajności, wierzymy, że DISH może otworzyć horyzont dla szerokich zastosowań ultraszybkiego druku 3D, w tym w biologii, fotonice i inżynierii.

Konfiguracja eksperymentalna

Dane rozszerzone Rys.  2 przedstawia konfigurację eksperymentalną DISH. Spójna wiązka światła o długości fali 405 nm emitowana z lasera diodowego CNI MDL-HD-405 o szerokości linii 1,5 nm jest modulowana przez przetwornik DMD wyposażony w pryzmat całkowitego wewnętrznego odbicia. Przetwornik DMD (TI DLP9500) sterowany przez ViALUX V-9501 charakteryzuje się rozmiarem piksela 10,8 μm, rozmiarem matrycy 1920 × 1080 i częstotliwością odświeżania 17,9 kHz. Wiązka o określonej strukturze przechodzi przez układ 4f, składający się z soczewki tubusowej (Thorlabs TTL200-A), apertury i obiektywu o odległości roboczej 34 mm (Mitutoyo M Plan Apo 2×, NA 0,055). Apertura pozwala na przejście jedynie centralnego rzędu dyfrakcji. Wiązka jest następnie kierowana do peryskopu zamocowanego na pustej, obracającej się platformie, napędzanej serwomotorem prądu przemiennego (Panasonic MSMJ042G1U). Na koniec wiązka jest ukośnie rzutowana do kuwety kwarcowej o maksymalnej gęstości mocy wejściowej 150 mW cm ^-2 i całkowitej maksymalnej mocy 40 mW, ograniczonej przez laser. Peryskop składa się z dwóch małych luster (Rozszerzone dane Rys.  2c,d ). Pierwsze lustro jest nachylone pod kątem 45° względem osi z , a drugie lustro jest nachylone pod kątem 22,5°. Po odbiciu w peryskopie wiązka jest rzutowana do pojemnika pod kątem 45°. Gdy kąt padania wynosi 45°, taka konfiguracja zapewnia rozsądny rozmiar osiowy cechy dla większości materiałów o różnych współczynnikach załamania światła, przy jednoczesnym zachowaniu niskiego współczynnika odbicia interfejsu. Ta konstrukcja mechaniczna mieści wiązkę światła o średnicy 6 mm. Jak pokazano na rys.  2e z danymi rozszerzonymi , obszar nadruku ma centralnie symetryczny, wrzecionowaty kształt, który można przybliżyć za pomocą walca i dwóch stożków. Całkowita objętość tego przybliżonego kształtu wynosigdzie θ _i reprezentuje kąt padania, θ _r reprezentuje kąt załamania, a d reprezentuje średnicę wiązki. Gdy d  = 5,832 mm (5,4 μm × 1080) i współczynnik załamania światła materiału wynosi 1,48, całkowita objętość wynosi 214,1 ^mm³ .

Diagram sekwencji czasowej synchronizacji obrotu i wzoru projekcji jest szczegółowo przedstawiony na rys.  3 w rozszerzonych danych . Wielofunkcyjne urządzenie I/O PCIe-6363 firmy National Instruments jest używane do generowania impulsów napięciowych i sterowania różnymi komponentami, w tym migawką lasera, migawką kamery, kątem projekcji i projekcjami DMD. Silnik serwo pracuje z prędkością 1000 obr./min, co daje okres 0,6 s dla pustej platformy obrotowej ze współczynnikiem redukcji 1:10. Projekcje DMD są zsynchronizowane z rzeczywistym kątem. Podczas procesu drukowania migawka lasera jest zamknięta, aż do ustabilizowania się prędkości silnika. Migawka steruje czasem ekspozycji na 0,6 s. Zwykle silnik serwo jest wyzwalany falą prostokątną o częstotliwości 60 kHz, podczas gdy DMD jest wyzwalany falą prostokątną o częstotliwości 3 kHz, pokazując 1800 projekcji na cykl. Prędkość obrotową można również regulować w razie potrzeby. Ponieważ moc lasera zastosowana w naszym prototypowym systemie jest stosunkowo niska, wszystkie parametry wyzwalania opisane tutaj są specjalnie skonfigurowane dla czasu ekspozycji wynoszącego 0,6 s, a nie dla maksymalnej prędkości roboczej.

Modelowanie systemu

Związek między współrzędnymi propagacji wiązki ( x _r ,  y _r ,  z _r ) a współrzędnymi świata ( x ,  y ,  z ) jest ustanowiony w celu zapewnienia zgodności z dowolnym kierunkiem projekcji 3D. Współrzędne ( x ,  y ,  z ) są zdefiniowane zgodnie z pojemnikiem. Oś z reprezentuje oś obrotu, oś x reprezentuje kierunek poziomy, a oś y reprezentuje kierunek pionowy. Współrzędne ( x _r ,  y _r ,  z _r ) są zdefiniowane zgodnie z wiązką wewnątrz pojemnika, przy czym oś z _r wskazuje kierunek propagacji. Oba układy współrzędnych mają ten sam początek, którym jest środek drukowania. W naszym układzie eksperymentalnym transformację współrzędnych można przedstawić za pomocą reprezentacji kąta Eulera:

gdzie φ reprezentuje kąt platformy, a θ _r reprezentuje kąt załamania światła w materiale. R _X i R _Z reprezentują odpowiednio obrót wokół osi x i osi z .

W optyce falowej propagację modeluje się następująco:

TutajOznacza transformację Fouriera, która przekształca amplitudy zespolone w widma kątowe. H ( l _i ,  λ _i ) i H ( z _r  +  l _r ,  λ _r ) to odpowiednio macierze propagacji w powietrzu i w materiale. S _φ reprezentuje refrakcję, która jest osiągana poprzez zniekształcone rozciąganie w widmie kątowym. Ponieważ fala płaska pozostaje falą płaską po refrakcji na płaskiej powierzchni międzyfazowej, odpowiednią zależność współrzędnych widma kątowego przed i po refrakcji można obliczyć za pomocą trójwymiarowej postaci prawa Snella. To zniekształcone rozciąganie w widmie kątowym jest implementowane przez funkcję imwarp w programie MATLAB.

Kalibracja oparta na optyce adaptacyjnej

Aby uprościć proces kalibracji, układ optyczny poprzedzający peryskop został wyregulowany tak, aby wiązka emitowana z centrum DMD dokładnie pokrywała się z osią obrotu platformy. W związku z tym, ścieżka światła obrotowego została wyregulowana tak, aby była centrosymetryczna, a kąt padania θ _i pozostał niezmieniony. Dzięki symetrii układu, wiązka emitowana z centrum DMD powinna generować natężenie o kształcie jednopłaszczyznowej hiperboloidy wewnątrz pojemnika. Jej środek symetryczny uznano za środek druku i początek układu współrzędnych. Odległość od środka druku do przedniej powierzchni pojemnika oznaczono jako z ₀ . Podczas kalibracji urządzenia optyczne były nieruchome, a jedynie projekcje były aktualizowane wraz z obrotem platformy.

Najpierw ustalono zgrubną liniową zależność między współrzędnymi pikseli DMD, kątem platformy i współrzędnymi 3D wewnątrz pojemnika. Piksele DMD były aktywowane indywidualnie, podczas gdy platforma powoli się obracała, a odpowiadająca im wzbudzona fluorescencja w pojemniku o rozdzielczości 18 μg ml ⁻¹ kumaryny-30 DMSO była rejestrowana w czasie rzeczywistym przez kamery przednią i boczne wyposażone w filtry emisyjne. Jak pokazano na rys.  8b danych rozszerzonych , kąt projekcji φ wiązki określono za pomocą kamery przedniej, natomiast kąt załamania θ _r zmierzono kamerą boczną. Pozostałe dwa stopnie swobody promienia obliczono na podstawie położenia punktu jego przecięcia z płaszczyzną z  = 0. Następnie piksel DMD przesunięto zgodnie ze zdjęciami fluorescencyjnymi wykonanymi przez kamery. Na koniec uzyskano zestaw pikseli przesuniętych DMD, które emitowały wiązki dokładnie przecinające środek drukowania, oznaczony jako. Dane rozszerzone Rys.  8c,d przedstawiają przykład położenia belki przed i po kalibracji.

Następnie zmierzono odległość propagacji od płaszczyzny sprzężonej do interfejsu pojemnika. Gdy kąt platformy φ  = 0, rzutowano odcinki linii na płaszczyźnie y – z (rys.  3c ), a symetryczny środek uzyskanej intensywności 3D uznano za przybliżoną płaszczyznę sprzężoną. Wykonano kilka zdjęć w różnych płaszczyznach ogniskowych za pomocą soczewki elektrostrojeniowej, a symetryczny środek ich złożonej fotografii zidentyfikował przybliżoną płaszczyznę sprzężoną DMD. Odległość propagacji od środka nadruku do przybliżonej płaszczyzny sprzężonej oznaczono jako.

Na koniec przeprowadzono precyzyjną kalibrację z wykorzystaniem holograficznie syntezowanych wzorców. Sprawdzono skuteczność ogniskowania w całym pojemniku, a skalibrowane parametry precyzyjnie dostrojono, aż natężenia światła przy wszystkich kątach platformy były zgodne z symulacją propagacji falowo-optycznej. Po przesunięciu pojemnika o odległość z ′ wzdłuż osi z i zastąpieniu materiału materiałem o współczynniku załamania światła n ′, parametry te można było przeliczyć w następujący sposób, bez konieczności przeprowadzania dodatkowych eksperymentów kalibracyjnych:

Algorytm optymalizacji holograficznej

Po pierwsze, problem optymalizacji w celu uzyskania zgrubnych rozkładów intensywności 3Dwkład każdego kąta pokazano poniżej:

w którymreprezentuje współrzędne 3D w obszarze obiektywnym, φ reprezentuje kąt projekcji,reprezentuje tłumienie podczas propagacji w materiałach, a zatemreprezentuje skumulowaną dawkę w każdym punkcie. A reprezentuje obszar 3D docelowego modelu do wydrukowania, w którym oczekuje się, że skumulowana dawka wyniesie d _h dla polimeryzacji ireprezentuje obszar poza obszarem docelowym, w którym skumulowana dawka ma być mniejsza niż próg d _l , aby uniknąć prześwietlenia. Δt odpowiada czasowi trwania każdej projekcji. Liczbę kątów projekcji do optymalizacji na tym etapie można zmniejszyć, duplikując wzór z sąsiednimi kątami, aby przyspieszyć proces obliczeniowy. W tym procesie pomija się ograniczenia binarne i wpływ dyfrakcji; dlatego do rozwiązania tego problemu można zastosować tradycyjne metody ^{33 , 34 .}

Następnie dla każdej grupy G sąsiadujących ze sobą wzorców projekcji binarnych rozwiązywany jest sekwencyjnie następujący problem holograficzny :

Funkcja straty jest tutaj taka sama jak w poprzednim problemie.jest inicjowany jakoi zostanie zaktualizowany, aby byćpo holograficznej optymalizacji δ _φ . { φ _g } jest zbiorem sąsiadujących kątów G o środkach w φ .jest obrazem binarnym pokazywanym przez DMD dla kąta φ _g . u przedstawia nierównomierny rozkład amplitudy wiązki, który można skalibrować przy użyciu profilometru wiązki.przedstawia proces rozchodzenia się światła w optyce falowej, biorąc pod uwagę załamanie światła na powierzchni powietrza i materiałów.

Aby rozwiązać tę optymalizację dyskretną w dziedzinie liczb zespolonych, wprowadzono wirtualną amplitudę zespoloną V _φ, reprezentującą średnią moc tych G projekcji binarnych. Spełnia ona warunek, żeW każdej iteracji fazaprzyjmuje się, że jest stała, a błąd binaryzacji jest tymczasowo ignorowany, czyli, w ten sposób można przybliżyć spadek gradientu V _φ . Następnie V _φ jest aktualizowane wzdłuż kierunku spadku gradientu i przekształcane na najbliższą dodatnią liczbę rzeczywistą.

Zestaw obrazówoblicza się za pomocąi najlepszeJako wynik wybiera się minimalizującą funkcję strat. Schemat blokowy optymalizacji holograficznej przedstawiono na rys.  4a z danymi rozszerzonymi . Warto zauważyć, że bezpośrednia konwersja projekcji w skali szarości na sekwencję projekcji binarnych powoduje obniżenie kontrastu intensywności dla płaszczyzn nieostrych, ponieważ wiązki światła rzucane w różnych punktach czasowych nie są ze sobą spójne. W konsekwencji intensywność projekcji bezpośredniejróżni się od niespójnej syntezy projekcji binarnych, jak pokazano na ryc.  4b z danymi rozszerzonymi . Synteza niespójna dokładniej odzwierciedla naszą implementację eksperymentalną, zmniejszając w ten sposób błędy szacowania dawki.

W eksperymentach drukowania zastosowano rozmiar piksela objętościowego 5,4 μm, aby dopasować go do rozmiaru piksela DMD w płaszczyźnie sprzężonej. W symulacjach przedstawionych na rys.  2 oraz na rys. 5 i 6 z danymi rozszerzonymi  zastosowano rozmiar piksela objętościowego 1,8 μm. Łącznie 180 obrazów w skali szarości uzyskano za pomocą tradycyjnych algorytmów, a parametr binaryzacji G ustawiono na 10, co pozwoliło na uzyskanie 1800 projekcji binarnych w celu zminimalizowania efektu rozmycia ruchu. Każda grupa została poddana 20 cyklom optymalizacji holograficznej. W przypadku modelu o wymiarach 1350 × 1350 × 1852 (co odpowiada 7,3 × 7,3 × 10,0 mm), nasz zaimplementowany algorytm holograficzny ⁴⁹ , wykorzystujący powyższe parametry, potrzebował około 24 godzin na ukończenie obliczeń w programie MATLAB R2023a, działającym na procesorze Intel Core i7-11700. W przyszłości metody głębokiego uczenia i procesory graficzne mogą zostać wykorzystane do przyspieszenia procesu obliczeniowego.

Materiały użyte do druku

Hydrożel PEGDA

20% w/v PEGDA o średniej masie cząsteczkowej 1000 g mol ⁻¹ (PEGDA 1000, P902470, Macklin) rozpuszczono w wodzie dejonizowanej. Dodano 0,25% w/w fenylo-2,4,6-trimetylobenzoilofosfinianu litu (LAP; L157759, Aladdin) jako fotoinicjatora. Ten roztwór wykorzystano do rys.  1c , rozszerzonego rysunku danych  9d i filmu uzupełniającego  1 .

PEGDA rozpuszczalnik mieszany

20% w/v PEGDA 1000, 20% w/v wody dejonizowanej i 60% glikolu polietylenowego o średniej masie cząsteczkowej 400 g mol ⁻¹ (PEG 400, P815616, Macklin) zmieszano i mieszano przez 30 minut. Dodano 0,25% LAP jako fotoinicjatora. Ten żel użyto do rys.  4a–f i 5b,c , rozszerzonych danych rys.  9a,b,e,k i dodatkowego filmu wideo  2. Atrament na bazie rozpuszczalnika PEGDA został użyty do scharakteryzowania wydajności DISH. PEG może służyć jako porogen ⁵⁰ i powoduje rozdzielenie faz wywołane polimeryzacją w wydrukowanych próbkach. Chociaż szkielety polimerowe są nadal formowane przez PEGDA, próbki wydają się białe zamiast przezroczystych ze względu na rozpraszanie wywołane przez rozdzielenie faz. Wzmocnione rozpraszanie sprawia, że ​​wydruki są bardziej widoczne, a proces drukowania może być bezpośrednio uchwycony przez kamery. Ponadto rozpuszczalniki binarne mogą powodować szybszą polimeryzację niż pojedynczy rozpuszczalnik ⁵¹ , a szybsze utwardzanie jest odpowiednie dla DISH w celu zwiększenia szybkości drukowania.

Żywica PEGDA

^{Do PEGDA o średniej masie cząsteczkowej 1000 g mol −1} (P131592, Aladdin) dodano 2 mM fotoinicjatora, tlenku difenylo(2,4,6-trimetylobenzoilo)fosfiny (TPO; T107643, Aladdin) i mieszano do całkowitego rozpuszczenia. Materiał ten wykorzystano do wydrukowania obiektów na rysunkach  1b , 4l–o i 5e–h , rysunkach z danymi rozszerzonymi  9f, g, i, j, l, m oraz filmach uzupełniających  3 i 4 .

Hydrożel SilMA

Syntezę SilMA przeprowadzono zgodnie z protokołem podanym w pozycji  ^52. 2 g SilMA rozpuszczono w wodzie dejonizowanej, uzyskując roztwór o objętości 10 ml. Zastosowano 20% w/v SilMA z 0,25% LAP, a wydruki przedstawiono na ryc.  9o z danymi rozszerzonymi .

Hydrożel GelMA

Syntezę GelMA przeprowadzono zgodnie z protokołem podanym w pozycji  ^53. 1 g GelMA rozpuszczono w wodzie dejonizowanej, uzyskując roztwór o objętości 10 ml. Zastosowano 10% w/v SilMA z 0,25% LAP, a wydruki przedstawiono na ryc.  5k .

Żywica BPAGDA

BPAGDA (411167, Sigma) zmieszano w stosunku wagowym 3:2 z metakrylanem 2-hydroksyetylu (HEMA; H810855, Macklin). Dodano 2 mM TPO i mieszano mieszaninę w temperaturze 60°C przez 30 minut. Wydruki przedstawiono na rys.  5j .

Żywica DPHA

DPHA (D889657, Macklin) zmieszano z HEMA w stosunku wagowym 2:1. Dodano 2 mM TPO i mieszano mieszaninę w temperaturze 60°C przez 30 minut. Wydruki przedstawiono na rys.  5i oraz na rys.  9n z danymi rozszerzonymi .

Żywica UDMA

UDMA (D885973, Macklin) zmieszano z HEMA w stosunku wagowym 4:1. Dodano 2 mM TPO i mieszano mieszaninę w temperaturze 40°C przez 30 minut. Wydruki przedstawiono na ryc.  9c, str . 10 w sekcji danych rozszerzonych.

Żywica UDMA + PEGDA

UDMA zmieszano z PEGDA w stosunku 1:1 (w/w). Dodano 2 mM TPO i mieszano mieszaninę w temperaturze 40°C przez 30 minut. Wydruki przedstawiono na ryc.  9h z danymi rozszerzonymi .

Lepkość tuszów została sprawdzona za pomocą Anton Paar MCR 302e, wirnika CP50, szybkości ścinania 100 s ⁻¹ . Lepkości tych materiałów wynoszą: 20% hydrożel PEGDA: 4,734 cP; 20% hydrożel SilMA: 40,12 cP; rozpuszczalnik mieszany PEGDA: 63,85 cP; żywica PEGDA: 99,11 cP; żywica BPAGDA: 656,38 cP; żywica DPHA: 750,49 cP; żywica UDMA: 562,99 cP. Próbki te zostały przetestowane w temperaturze pokojowej (25 °C). 10% hydrożel GelMA został użyty i przetestowany w temperaturze 40 °C jako tusz ciekły, a lepkość wynosi 14,15 cP.

Drukowanie i postprodukcja

Tusze można bezpośrednio wymieniać w każdym procesie drukowania, a ponowne wykorzystanie żywicy można osiągnąć poprzez podgrzanie i wystawienie na działanie powietrza otoczenia, co zademonstrowano w poprzednich systemach druku wolumetrycznego. Ponadto materiały o niskiej lepkości używane do drukowania, takie jak wodny roztwór PEGDA, ułatwiają spontaniczne uzupełnianie rozpuszczonego tlenu. Delikatne pipetowanie między sesjami drukowania miało na celu utrzymanie wydajności drukowania dla tych tuszów o niskiej lepkości.

Wydruki delikatnie oddzielono od nieutwardzonych materiałów i umyto wodą lub etanolem. W przypadku żywic o dużej lepkości, czyszczenie można było ułatwić poprzez podgrzewanie i ultradźwięki. Następnie, przez 60 sekund, w odpowiednich roztworach fotoinicjatorów (woda zawierająca 0,25% LAP lub etanol zawierający 2 mM TPO), zastosowano  dodatkowe naświetlanie światłem o długości fali 405 nm (30 mW cm ^{−2 ). W przypadku próbek hydrożelu, w celu zrównoważenia pęcznienia na rys.} 4 i rys.  9a,b z danymi rozszerzonymi, zastosowano roztwór wodorofosforanu dipotasowego (9,7% w/v) , co pozwoliło uzyskać długość mikroskopową równą długości projektowanej.

Wizualizacja produktów drukowanych

W filmach uzupełniających  1 i 2 produkty zostały zobrazowane bezpośrednio w materiale. W filmie uzupełniającym  1 subtelna zmiana współczynnika załamania światła została zwizualizowana poprzez umieszczenie wzoru szachownicy za pojemnikiem. W filmie uzupełniającym  2 użyto zielonej wiązki lasera do wzmocnienia rozpraszania bez wpływu na reakcję utwardzania. W filmach uzupełniających  3 i 4 proces czyszczenia jest tymczasowo umieszczany w kuwecie w celu lepszego filmowania, a standardowe mycie przy użyciu większych pojemników i większej ilości rozpuszczalnika zapewnia czystość.

Produkty poddano postprodukcji, a następnie sfotografowano na różne sposoby: makrofotografię (rys.  1b , 4a,j,k,m i 5g–k oraz rozszerzone dane rys.  9b po lewej, 9f,j–p ), stereoskopię (rys.  5e,f oraz rozszerzone dane rys.  9c,i ) oraz mikroskopię jasnego pola (rys.  1c po prawej i 4a–f,h,i,n,o oraz rozszerzone dane rys.  9a,b,d,e,g ). Pustą strukturę sprawdzono, wstrzykując różne kolory tuszu, w tym rys.  5h,k oraz rozszerzone dane rys.  9g,i,o . Skanowanie tomografii komputerowej promieniami rentgenowskimi w rozszerzonych danych rys.  9h przeprowadzono przy użyciu ZEISS Xradia 620 Versa.

Wszystkie wymiary wydrukowanych obiektów podano jako średnią ± odchylenie standardowe. Dla szerokości linii na rys.  4a, b wykonano n  = 20 pomiarów dla każdej grupy pasków w poprzek próbki. Dane na rys.  4g uzyskano dla każdej wskazanej pozycji osiowej, z n  = 6 pomiarami na pozycję. Dla szerokości ości rybiej na rys.  4i  wykonano n = 10 pomiarów. Dla struktury muszli na rys.  4m –o wykonano  łącznie n = 40 pomiarów w poprzek jej różnych linii .

Podsumowanie raportu

Więcej informacji na temat projektu badawczego można znaleźć w podsumowaniu sprawozdawczości Nature Portfolio Reporting Summary, do którego link znajduje się w tym artykule.