1. 引言
体增材制造（VAM）代表了从传统逐层制造技术的范式转变，能够快速、同步地整体制造三维物体。然而，快速原型制造流程仍然受限于打印后的检测与计量环节。当前的方法，如X射线计算机断层扫描（CT）或光学扫描，属于离线检测，耗时且无法集成到打印过程中。本研究通过为断层扫描体增材制造引入一套完全同步的三维计量与打印系统，解决了这一关键瓶颈。
其核心创新在于利用了光敏树脂在凝胶化阶段光散射能力的急剧增强。这一物理变化被用于对正在成形的打印件进行实时、无伪影的三维成像，实现了优于打印尺寸1%的几何精度。这种集成技术为增材制造中的闭环控制铺平了道路。
2. 方法论与技术细节
2.1. 断层扫描体增材制造原理
在断层扫描体增材制造中，一个三维数字模型通过断层扫描重建原理（类似于反向CT扫描）被分解为一系列二维光图案（投影）。这些图案从多个角度投影到装有光固化树脂的旋转容器中。在累积光剂量超过凝胶化阈值的区域，树脂固化，一次性形成所需物体，从而消除了层纹且无需支撑结构。
2.2. 用于原位计量的光散射技术
实现原位计量的关键在于树脂光学性质的变化。液态树脂基本透明，但在凝胶化时，由于聚合物网络形成导致折射率不均匀，其变得高度散射。通过照射构建体积并使用相机从多个角度捕获散射光，可以实时重建散射密度的三维分布图——该分布直接对应于固化的几何形状。
2.3. 数学框架
从捕获的二维投影 $P_\theta(\mathbf{x}, t)$ 重建三维散射密度 $\rho(\mathbf{r}, t)$ 遵循计算机断层扫描原理。对于给定的投影角度 $\theta$，其关系由拉东变换建模：
$P_\theta(\mathbf{x}, t) = \mathcal{R}[\rho(\mathbf{r}, t)] = \int_{L(\mathbf{x}, \theta)} \rho(\mathbf{r}, t) \, ds$
其中 $L(\mathbf{x}, \theta)$ 是通过构建体积、在探测器位置 $\mathbf{x}$ 和角度 $\theta$ 处的直线，$ds$ 是线元。三维模型通过滤波反投影或迭代算法恢复：
$\hat{\rho}(\mathbf{r}, t) = \mathcal{B}\{ \mathcal{F}^{-1}[ |\omega| \cdot \mathcal{F}(P_\theta(\mathbf{x}, t)) ] \}$
其中 $\mathcal{F}$ 表示傅里叶变换，$\mathcal{B}$ 表示反投影算子。时间分量 $t$ 允许进行四维（三维+时间）监测。
3. 实验结果与分析
3.1. 实验装置与校准
实验装置将标准的断层扫描体增材制造系统（投影仪、旋转容器）与一个额外的成像系统集成。一个漫射光源照射容器，一个或多个相机捕获散射光。系统使用已知几何形状的模型进行校准，以建立散射强度与固化体积之间的关系。
3.2. 精度与性能指标
主要成果是证明了原位测量的几何形状相对于最终打印件和原始CAD模型，其尺寸精度优于1%。对于一个基准打印件（例如复杂晶格或机械零件），原位重建与离线微CT扫描之间的均方根误差（RMSE）被报告为小于物体特征尺寸的1%（例如，在一个5毫米的零件上误差约为50微米）。
关键性能指标
尺寸精度： < 物体尺寸的1%
测量延迟： 近实时（与打印速度同步）
数据类型： 定量的三维+时间（四维）体积数据
3.3. 缺陷检测能力
该系统成功地在打印缺陷发生时识别了它们。例如，在重建的散射密度图中，可以观察到诸如非预期的孔隙、由光衰减引起的形状畸变或悬垂区域固化不完全等偏差。这通过有意引入误差（例如，剂量校准错误）并展示计量系统的输出（突出显示与目标几何形状的差异）得到了验证。
图表说明： 三维重建图像的时间序列将显示物体的生长过程。一个对比图表会将目标CAD模型的线轮廓与原位测量轮廓以及离线CT扫描轮廓进行对比，显示三者高度吻合，且原位数据捕捉了过程的动态变化。
4. 分析框架与案例研究
原位工艺-性能关系分析框架： 这项技术启用了一个新的分析框架：直接将工艺参数（每个角度的光剂量、旋转速度）与实时几何结果相关联。一个实际的案例研究涉及打印一个具有已知挑战性特征（例如细针、薄壁）的零件。
- 输入： 目标CAD模型和计划的断层扫描投影集。
- 过程监控： 原位系统重建实际的散射体积 $V_{actual}(t)$。
- 对比： 在软件中，$V_{actual}(t)$ 持续与从已知凝胶化阈值和施加剂量推导出的预期“理想”散射体积 $V_{ideal}(t)$ 进行比较。
- 偏差映射： 生成差异图 $\Delta V(t) = V_{actual}(t) - V_{ideal}(t)$。正值表示过固化/膨胀；负值表示欠固化/孔隙。
- 根本原因分析： $\Delta V$ 中的空间模式可以追溯到特定的投影角度或剂量水平，从而识别缺陷的确切原因。这优于事后分析，因为事后分析无法将最终缺陷与过程中的特定时刻相关联。
该框架将质量控制从被动的、生产后的检测转变为主动的、集成到制造循环中的诊断工具。
5. 核心见解与批判性分析
核心见解： Orth等人不仅仅是构建了一个更好的计量工具；他们从根本上重新架构了增材制造的反馈循环。通过利用光聚合过程本身固有的潜在信号（散射变化），他们实现了真正的同步测量与制造。这将体增材制造从一个快速但“盲目”的过程转变为一个“透明”的过程，解决了快速原型制造中最突出的弱点：打印与确认成功之间令人煎熬的延迟。
逻辑脉络： 其逻辑优雅且以物理原理为先导。问题：增材制造需要原位几何测量。约束：无法将扫描仪放入料槽内。他们的解决方案：不添加扫描仪；让打印过程本身成为扫描仪。凝胶化诱导的散射不是缺陷，而是一个特性。这与其他领域的理念相呼应，例如利用神经网络的训练动态进行内省，而不是添加单独的诊断模块。从物理观察（散射增强）到数学模型（散射密度的断层扫描重建）再到系统集成的技术流程是无懈可击的。
优势与不足： 其优势在于无缝集成和高精度。它需要最少的额外硬件，利用了现有的光路。对于一种原位方法而言，优于1%的精度是显著的。然而，其不足也很明显，且是开创性工作的典型特征。首先，它依赖于特定的材料现象。它适用于所有光敏树脂吗？高填充、不透明或预散射树脂可能无法显示出足够的对比度变化。其次，它通过散射密度测量“固化体积”，而非表面形貌。细微的表面光洁度问题或聚合物与液态树脂之间的折射率匹配可能无法被检测到。它是一种体积检测工具，而非表面检测工具。第三，正如作者所暗示的，实时数据目前仅用于观察，尚未用于闭环控制。从在时间 *t* 检测到缺陷，到在打印于 *t+Δt* 完成前计算并应用校正剂量，这是一个巨大的控制理论和硬件挑战。
可操作的见解： 对于研究人员，直接的路径是材料普适性：量化不同树脂化学体系的散射对比度。对于工业界，优先事项不是等待闭环控制。真正的近期价值在于工艺开发与认证。该系统可以通过为每次测试打印提供即时、体积化的反馈，将优化新树脂或新几何形状打印参数的时间从数周缩短到数天。制造商不应将其视为最终的质量控制站，而应视为打印过程的终极“数字孪生”——一种用于完善工艺配方、确保生产时一次成功的工具。文中提及耗时的微CT扫描过程[15]，是对传统计量方法的直接挑战；这项技术旨在为开发周期消除这一瓶颈。
6. 未来应用与方向
- 闭环自适应打印： 最终目标是实时校正。如果在打印中途检测到偏差，系统可以调整后续的光图案进行补偿——例如，为欠固化区域增加剂量或为防止过固化而减少剂量。
- 多材料与功能打印监控： 将该原理扩展到监控打印过程中不同材料（例如，通过波长依赖性散射）或功能填料（例如，碳纳米管）的分布。
- 与机器学习集成： 生成的四维（三维+时间）数据集非常适合训练机器学习模型，以预测打印失败、优化体增材制造的无支撑设计或自动分类缺陷类型。
- 标准化与认证： 在受监管的行业（航空航天、医疗），这可以为每个零件的实际内部几何形状提供不可伪造的数字记录，这对于认证至关重要。
- 超越体增材制造： 其核心理念——利用固有工艺信号进行计量——可以启发其他增材制造模式中的类似方法，例如监控粉末床熔融中的热辐射或材料挤出中的声学特征。
7. 参考文献
- Kelly, B. E., 等. "通过断层扫描重建实现体增材制造." 科学 363.6431 (2019): 1075-1079.
- Loterie, D., 等. "高分辨率断层扫描体增材制造." 自然通讯 11.1 (2020): 852.
- Shusteff, M., 等. "复杂聚合物结构的一步法体增材制造." 科学进展 3.12 (2017): eaao5496.
- Webber, D., & Paquet, C. "体三维打印技术进展." 加拿大国家研究委员会技术报告 (2022).
- Gibson, I., 等. 增材制造技术：3D打印、快速原型制造与直接数字制造. 第3版，斯普林格出版社，2021. （关于传统增材制造计量挑战的背景）.
- ISO/ASTM 52902:2023. "增材制造 — 测试件 — 增材制造系统的几何能力评估." （精度评估相关标准）.
- Zhu, J., 等. "增材制造中的实时监控与控制：综述." 制造系统杂志 68 (2023): 276-301. （关于原位监控的更广泛背景）.
- Wang, C., 等. "深度学习在增材制造实时三维重建中的应用：综述." 虚拟与物理原型 18.1 (2023): e2167456. （与机器学习相关的未来方向）.