3D 打印從開始到完成需要多久？

以毫米級物體為例，逐點和逐層打印需要長達數(shù)分鐘到數(shù)小時的時間進行加工，典型的體積 3D 打印也需要數(shù)十秒曝光時間。

現(xiàn)在一切發(fā)生了神奇的變化：科學(xué)家們發(fā)明了一種新技術(shù)，它讓 3D 打印像照相閃光燈那樣“咔嚓”一下，眨眼的功夫就完成了。并且，整個打印過程中材料和容器都是靜止的，而不是像傳統(tǒng) 3D 打印那樣容器與探頭之間需要相對運動。

動圖 | 一秒以內(nèi)完成的三維打印（來源：Nature）

那么，它是如何做到的？

這項研究來自清華大學(xué)戴瓊海院士、吳嘉敏副教授和方璐教授團隊，他們開發(fā)了一種全息光場數(shù)字合成的體積 3D 打印技術(shù)——數(shù)字非相干全息光場合成（DISH，digital incoherent synthesis of holographic light fields）。

值得關(guān)注的是，該研究是體積 3D 打印領(lǐng)域首次毫米（mm）結(jié)構(gòu)尺度上，同時實現(xiàn)了亞秒級速度和十微米級分辨率。

以生成體積約 200 mm3 的樣品為例，據(jù)測算，DISH 技術(shù)的 3D 打印曝光時間僅 0.6 秒（s），體積打印速率為 333 mm3/s，相當于每秒生成上億（1.25×10?）個體素（注：體素指的是三維空間中的體積像素）。并且，在 1 厘米范圍內(nèi)保持 11 微米的投影分辨率和 19 微米的打印分辨率。

這項技術(shù)為高速、個性化地 3D 打印微小精密的結(jié)構(gòu)提供了一種全新方案，例如人造血管、微型光學(xué)鏡片、定制化藥物篩選模型等。審稿人認為該研究是體積增材制造領(lǐng)域的一項重要進展，并稱其是“迄今為止報道的最快體積 3D 打印時間”。

相關(guān)論文以《基于全息光場合成的亞秒級體積三維打印》（Sub-second Volumetric 3D Printing by Synthesis of Holographic Light Fields）為題發(fā)表在 Nature[1]。清華大學(xué)成像與智能技術(shù)實驗室的戴瓊海院士、吳嘉敏副教授和電子系方璐教授擔(dān)任共同通訊作者，博士后王旭康、博士后馬遠矚和博士生牛一涵是共同一作。

圖丨相關(guān)論文（來源：Nature）

從“看見”三維到“造出”三維：把成像流程徹底反過來

清華大學(xué)成像與智能技術(shù)實驗室長期深耕于計算光學(xué)領(lǐng)域，十余年來在顯微成像、天文成像、光計算等多個方向取得了突出成果與廣泛應(yīng)用。

顯微成像光路的基本操作流程是：從生物樣本拍到多角度投影圖，再通過光場三維重建算法，最后得到計算機上的三維模型。而這項研究起源于研究人員的反向思維：如果將光路操作的常規(guī)流程反過來操作會怎樣？

也就是說，先有三維模型，然后通過算法將其轉(zhuǎn)化成多視角投影，最后在容器中投影出高維光場，創(chuàng)造三維實體。

“我們當時初步討論出這個想法的時候非常激動，如果能通過材料或其他化學(xué)反應(yīng)響應(yīng)三維光分布，那就很有可能利用光場構(gòu)建物體。”王旭康對 DeepTech 表示。

圖丨王旭康（來源：王旭康）

“一閃即印”的關(guān)鍵：直接三維光場投影

3D 打印領(lǐng)域存在著一個天然的矛盾，如果精度高，速度通常相對較慢，例如雙光子微納加工；如果追求速度，打印出來的物品往往很粗糙，比如建筑類 3D 打印。

這是因為傳統(tǒng) 3D 打印方法采用的是逐點或逐層方式，其依次投影出來的是一個點（零維）或一個面（二維），然后再配合機械移動完成三維打印。其打印時間一般取決于線掃描、層掃描速度和材料填充的速度，總加工時間往往在幾分鐘到幾小時。

2019 年在 Science 發(fā)表的領(lǐng)域內(nèi)首篇關(guān)于體積三維打印論文 [2] 中，光束從側(cè)面射入一個旋轉(zhuǎn)運動的圓柱形容器，實現(xiàn)了類似 CT 的投影模式（用垂直于旋轉(zhuǎn)軸的多視角成像還原三維模型），將總曝光時間縮短到了 30 秒左右。

而清華的這項研究最大的創(chuàng)新在于，研究團隊設(shè)計了高速旋轉(zhuǎn)的潛望鏡系統(tǒng)，直接在靜止容器內(nèi)投出高精度三維光場，不僅將總曝光時間縮短到了 1 秒以內(nèi)，還避免了因容器運動引發(fā)的機械振動以及材料流動問題。

“我們提出了一種全新的、直接三維投影的方式，相當于跳過了所有材料相關(guān)的機械掃描步驟，整個容器是靜止不動的?！瘪R遠矚告訴 DeepTech。

圖丨系統(tǒng)設(shè)計圖（來源：Nature）

在精度優(yōu)化方面，為打破“高分辨率難以大景深”的物理限制，研究團隊基于在計算光學(xué)方面多年的技術(shù)積累，通過數(shù)字自適應(yīng)光學(xué)方法，先把投影校準精度提高到 2 個投影像素，然后將光路中的像差建模并校正，最后用全息算法對景深進行拓展。這種拓展景深的全息光場技術(shù)，為快速打印上億級體素奠定了重要基礎(chǔ)。

研究人員搭建的高速旋轉(zhuǎn)的潛望鏡系統(tǒng)專為高速打印設(shè)計，能以 10 轉(zhuǎn)/秒的速度，投射由數(shù)字微鏡器件（DMD，Digital Micromirror Device）調(diào)制的高分辨率圖案光束。

DMD 能以超過 17,000 赫茲的頻率快速切換圖案，在 0.06 秒內(nèi)投影 1,000 幀，非常適合高速打印場景。但是，DMD 只能原生投射出二值圖案（注：僅含亮和暗兩種像素狀態(tài)，無灰度漸變），對算法提出了更高的要求。

王旭康舉例說道：“因為 DMD 只能投影二值圖案，且系統(tǒng)不同時刻投影出的光束之間缺少相干性，我們不能將灰度圖像直接用 DMD 投影出來?？紤]到 DMD 這一硬件方面的不足，我們設(shè)計了一套優(yōu)化算法能夠擬合灰度的光強分布，通過解決二值全息問題實現(xiàn)了相對理想的投影效果?！?/p>

基于這些探索，該系統(tǒng)將景深拓展到 1 厘米，遠超同條件下傳統(tǒng)物鏡景深 50 微米范圍。并且，在整個 1 厘米范圍內(nèi)，光學(xué)分辨率穩(wěn)定保持在平均 11 微米的水平，打印產(chǎn)物最細獨立特征達 12 微米。

除此之外，傳統(tǒng)的體積三維打印技術(shù)往往需要非常粘稠的材料，原因在于：一方面可抑制打印過程中的樣本下沉，另一方面能夠防止容器在旋轉(zhuǎn)時因慣性發(fā)生的材料流動，從而避免樣本變形和投影錯位。

DISH 技術(shù)超短曝光時間帶來的顯著變化是，在曝光固化期間，只有光束在高速移動，而容器和材料無需移動，所以顯著削弱了材料流動的影響。

因此，該系統(tǒng)可兼容多種粘度的材料，從與水粘度接近的稀溶液到接近固態(tài)的高粘度樹脂等，再到包括多種生物水凝膠和彈性體在內(nèi)的光固化材料，以適應(yīng)流控系統(tǒng)或其他應(yīng)用場景。

（來源：Nature）

馬遠矚指出，“此前傳統(tǒng)體積打印為解決地面重力帶來的材料流動問題，科研人員甚至嘗試在太空微重力環(huán)境下開展打印研究。我們技術(shù)的特異化優(yōu)勢之一在于，基于超短曝光時間的優(yōu)勢，讓光固化化學(xué)反應(yīng)先于材料重力流動完成。”

或創(chuàng)造微精密打印更多可能

同時滿足了速度、精度和材料適應(yīng)性這三個長期彼此制約的因素，就像解鎖了體積 3D 打印的應(yīng)用邊界，這讓更多應(yīng)用成為了可能。

在現(xiàn)有技術(shù)中，工業(yè)開模具適合大批量制造，但其只能同批制造相同結(jié)構(gòu)；雙光子可以做得很精、很小，但速度方面具有局限性。與現(xiàn)有技術(shù)不同的是，這項技術(shù)為研究領(lǐng)域或工業(yè)測試中，快速、連續(xù)、定制化打印各種微小精密的結(jié)構(gòu)提供了一種新方法。

（來源：Nature）

該技術(shù)可用生物相容性材料打印生物實驗載體，例如模擬血管的螺旋管、分叉管，可以在培養(yǎng)皿、生物組織上原位打??；還有望在微型載體中精確編排多種藥物及濃度梯度，一次性制備數(shù)千個濃度連續(xù)變化的細胞培養(yǎng)載體，從而實現(xiàn)快速、高通量的藥物篩選。

在工程制造領(lǐng)域，該技術(shù)有望通過流水線方式批量生產(chǎn)光子計算器件、手機相機模組等微型組件、帶有尖銳角度和復(fù)雜曲面的零件等。

王旭康指出，“我們的方案可以讓待打印材料直接流到管道內(nèi)，然后算出需要投影的圖案，從而立即針對目標形狀進行快速、批量地進行定制化打印結(jié)構(gòu)。”

該技術(shù)通過流體管道加工，有望制造傳統(tǒng)打印中難以實現(xiàn)的多層懸空嵌套等，并有可能進一步將應(yīng)用場景拓展至柔性電子、微型機器人、高分辨率組織模型等領(lǐng)域。

圖丨復(fù)雜結(jié)構(gòu)打印產(chǎn)物展示（來源：Nature）

在后續(xù)的研究中，研究團隊希望通過性能方面持續(xù)提升和方法優(yōu)化，讓該方法盡早在實際場景中應(yīng)用。他們計劃改進投影思路，通過投出多束光甚至不同顏色的光束，來實現(xiàn)對復(fù)雜材料的精準控制。此外，針對多材料打印或直接在已有結(jié)構(gòu)上做修飾依賴實時三維監(jiān)控技術(shù)，目前研究人員正在對實時監(jiān)視系統(tǒng)持續(xù)優(yōu)化中。

總體而言，亞秒級體積 3D 打印的意義并不僅體現(xiàn)在速度和分辨率。它意味著，3D 制造正在從依賴高精度機械掃描的過程，轉(zhuǎn)向由光場直接定義結(jié)構(gòu)的方式。

參考資料：

1.https://www.nature.com/articles/s41586-026-10114-5

2.https://doi.org/10.1126/science.aau7114

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