ホログラムにより、3Dプリントの効率と解像度が向上

February, 27, 2025, Lausanne--科学者たちは、ホログラフィックプロジェクションを使用して、光ベースの3Dプリンティング技術に前例のない解像度をもたらした。この方法では、従来のアプローチよりも大幅に少ないエネルギーで、ミリメートルスケールの物体を数秒で製造できる。

従来の3Dプリンタは材料の層を堆積させることで機能するが、断層容積積層造形(TVAM)では、回転する樹脂のバイアルにレーザ光を照射し、蓄積されたエネルギーが特定のしきい値を超えると硬化する。TVAMの利点は、レイヤベースの3Dプリントでは約10分かかるのに対し、数秒でオブジェクトを作成できることである。しかし、欠点は、非常に非効率的であること。と言うのは、目的の形状を生成するために、エンコードされた光の約1%しか樹脂に到達しないことである。

EPFLのChristophe Moserが率いるApplied Photonic Devices研究室と、Jesper Glückstadが率いる南デンマーク大学フォトニクスエンジニアリングセンタの研究者は、物体の製造に必要なエネルギー量を大幅に削減すると同時に解像度を向上させるTVAM法をNature Communicationsで報告した。この技術は、回転する樹脂のバイアルに形状の3次元ホログラムを投影することを含む。投影された光波の振幅(高さ)で情報をエンコードする従来のTVAMとは異なり、ホログラフィック法はその位相または位置を利用する。

この小さな変化が大きな影響を持つ。「すべてのピクセル入力が、すべての平面のホログラフィック画像に寄与している。これにより、投影されたパターンを投影深度で制御できるため、最終的な 3D オブジェクトの光効率と空間解像度が向上する」(Moser)。

最近発表された研究では、チームはミニチュアボート、球体、円柱、芸術作品などの複雑な3Dオブジェクトを、以前の研究よりも25倍少ない光学パワーを使用して、60秒以内に並外れた精度でプリントした。

「TVAM技術へのホログラフィックの追加は、効率的で正確、かつ迅速な次世代の容積測定積層造形システムの舞台となる」(Christophe Moser)。

複雑な生体構造の模倣
ホログラムは、Glückstad によって発明された HoloTile と呼ばれる手法を使用して生成される。HoloTile では、目的の投影パターンの複数のホログラムを重ね合わせ、粒子の粗い画像を作成するスペックル ノイズと呼ばれるランダムな光干渉を排除する。ホログラフィック体積積層造形は以前にも報告されているが、EPFL-SDUの共同チームのアプローチは、主にHoloTileの使用により、このような高忠実度の3Dプリントオブジェクトを生み出した最初のアプローチである。

EPFLの学生、筆頭著者のMaria Isabel Alvarez-Castañoは、ホログラフィックアプローチのもう一つのユニークな側面は、ホログラムビームを「自己回復」、つまり小さな粒子によってコースから外れることなく樹脂を介して拡散できることだと説明している。この自己回復特性は、細胞を充填したバイオレジンやハイドロゲルを用いた3Dプリンティングに不可欠であり、バイオメディカル用途に最適である。

「われわれは、このアプローチを使用して生物学的構造の3D複雑な形状を構築することに興味を持っている。これにより、たとえば、組織や臓器の実物大モデルをバイオプリントできるようになる」(Alvarez-Castaño)。

今後、チームはこの手法の効率をさらに2倍に向上させることを目指している。Moserによると、いくつかの計算機能の強化により、最終的な目標は、ホログラフィック体積積層造形を使用して、ホログラムを樹脂に投影するだけでオブジェクトを製造することであり、回転させる必要はない。これにより、容積測定積層造形がさらに簡素化され、大量生産でエネルギー効率の高い製造プロセスの可能性が高まる可能性がある。同氏は、ホログラムを標準的な商用機器を使用してコーディングできるという事実が、このアプローチの実用性を高めている、と付け加えている。

「TVAM技術へのホログラフィックの追加は、効率的で正確、かつ迅速な次世代の容積積層造形システムへの舞台を整えるものである」と同氏はまとめている。