2026年第3篇與3D打印技術(shù)相關(guān)的nature正刊文章于2月11日發(fā)表。來(lái)自清華大學(xué)的戴瓊海院士團(tuán)隊(duì)發(fā)表了題為“Sub-second volumetric 3D printing by synthesis of holographic light fields （通過(guò)合成全息光場(chǎng)實(shí)現(xiàn)亞秒體積3D打?。钡奈恼?。

該研究提出了一種稱之為“計(jì)算全息光場(chǎng)（DISH）”的全新體積3D打印方法，將打印速度本就高出常規(guī)增材制造技術(shù)幾個(gè)數(shù)量級(jí)的傳統(tǒng)體積3D打印速度再提升了數(shù)十倍，且零件在1cm范圍內(nèi)能保持19μm的高分辨率，打破了制造速度、尺寸、精度不能兼得的限制，在生物醫(yī)學(xué)、微納光學(xué)組件、柔性電子、微型機(jī)器人等多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用潛力。

3D打印制造速度的不斷發(fā)展

常規(guī)的3D打印技術(shù)可謂多種多樣，它們分別在不同的工業(yè)場(chǎng)景下發(fā)揮了重要作用。傳統(tǒng)光固化（SLA、DLP)技術(shù)的精度高，但效率低；雙光子聚合（TPP）具有極高的精度，但速度卻極慢，批量生產(chǎn)面臨困難；連續(xù)液面3D打印技術(shù)（CLIP等），雖提升了打印速度，但仍然沒(méi)有擺脫層層制造的基本原理。

傳統(tǒng)DLP與CLIP技術(shù)的打印過(guò)程比較

為進(jìn)一步提升速度，體積3D打印技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。目前基于光場(chǎng)的體積3D打印方法主要有Xolography推出的“交叉光刻”的技術(shù)以及最初由HRL推出的“計(jì)算軸向光刻（CAL） ”技術(shù)等。但這兩類技術(shù)均有不足。

?? “交叉光刻”的速度限制

Xolography的聚合反應(yīng)由兩個(gè)波長(zhǎng)的光引發(fā)——一個(gè)來(lái)自穿過(guò)靜止樹(shù)脂的移動(dòng)光片，另一個(gè)來(lái)自正交投影——兩束光同時(shí)匯聚引發(fā)固化。因此這項(xiàng)技術(shù)所打印的樹(shù)脂就含有雙色光引發(fā)劑。這種特殊的引發(fā)劑在參與一次光化學(xué)反應(yīng)后會(huì)進(jìn)入一種“鈍化態(tài)”，無(wú)法立即再次反應(yīng)，需要一定時(shí)間才能恢復(fù)。因此，光片的移動(dòng)速度就要控制，因此，它的基本原理就限制了其打印速率。但即便如此，它仍然比TPP技術(shù)快104-105倍。

雙步光化學(xué)實(shí)現(xiàn)體積3D打印

?? “軸向光刻”的尺寸、精度與材料限制

計(jì)算軸向光刻（CAL）技術(shù)的原理是通過(guò)從不同角度投射2D光圖案，在樹(shù)脂內(nèi)部疊加出3D光分布，從而同步打印整個(gè)零件。在具體的實(shí)踐過(guò)程中并不依賴多臺(tái)光機(jī)，而是讓樹(shù)脂容器360°旋轉(zhuǎn)，單光機(jī)就能各個(gè)角度投射圖案。

論文指出，樹(shù)脂容器的旋轉(zhuǎn)帶來(lái)了一系列問(wèn)題：首先是沒(méi)辦法在固定表面上進(jìn)行原位3D打印，而且為了避免圖案錯(cuò)位、振動(dòng)，旋轉(zhuǎn)速度就得限制；進(jìn)一步的影響是，已打印的部分會(huì)出現(xiàn)下沉的風(fēng)險(xiǎn)，因此CAL技術(shù)需要使用高粘度樹(shù)脂；除此之外，CAL技術(shù)難以同時(shí)保障制造尺寸與精度。

計(jì)算軸向光刻技術(shù)實(shí)現(xiàn)體積3D打印

DISH技術(shù)的核心突破

對(duì)當(dāng)前主流的基于光場(chǎng)的體積3D打印技術(shù)相比，“計(jì)算全息光場(chǎng)”技術(shù)帶來(lái)了多項(xiàng)突破：

?? 打印速度再提升數(shù)十倍

無(wú)論是此前的“交叉光刻”還是“計(jì)算軸向光刻（CAL） ”，體積3D打印本身的速度已經(jīng)比傳統(tǒng)基于層層制造的3D打印速度高出了幾個(gè)數(shù)量級(jí)，而DISH技術(shù)將體積3D打印速度再提升幾十倍。此前需要幾十秒才能通過(guò)體積3D打印制造的厘米級(jí)物體，如今只需要不到1秒。

?? 打印尺寸更大，精度更高

此前體積3D打印的尺寸受到光學(xué)器件景深的限制，打印厘米級(jí)物體的精度就會(huì)變得很差，而基于算法的光波傳輸與旋轉(zhuǎn)光學(xué)所實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)聚焦，精妙的繞過(guò)了光學(xué)器件的物理限制，使體積打印能夠以更高精度打印尺寸更大的物體。

?? 打印材料更多樣

傳統(tǒng)體積3D打印因?yàn)樗俣认鄬?duì)較慢，已成型部分會(huì)出現(xiàn)下沉而不得不使用高粘度樹(shù)脂，而DISH技術(shù)因?yàn)樗俣葞资兜奶嵘?，因此可以打?strong>粘度更低的樹(shù)脂，其甚至可以打印與水年度接近的稀溶液。

演示了DISH使用低粘度材料（20% PEGDA 1000水溶液）的打印過(guò)程，打印成品在曝光后逐漸顯現(xiàn)，隨后在重力作用下沉入水中

?? 打印場(chǎng)景更加豐富

與軸向光刻體積3D打印的樹(shù)脂旋轉(zhuǎn)相比，在靜態(tài)樹(shù)脂中可以實(shí)現(xiàn)原位打印，也可以用流體樹(shù)脂代替靜態(tài)樹(shù)脂實(shí)現(xiàn)連續(xù)不間斷和批量化的打印。

多種結(jié)構(gòu)連續(xù)3D打印

DISH技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式

為解決傳統(tǒng)體積3D打印各種相互掣肘的技術(shù)不足，清華大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)調(diào)整了CAL體積3D打印的思路——變旋轉(zhuǎn)樹(shù)脂容器為旋轉(zhuǎn)光場(chǎng)，同時(shí)解決了速度問(wèn)題、材料選擇問(wèn)題以及制造精度問(wèn)題。

a.多角度投影用于在固定容器內(nèi)生成三維光強(qiáng)分布；b.旋轉(zhuǎn)潛望鏡設(shè)計(jì)用于生成由DMD調(diào)制的高速旋轉(zhuǎn)光圖投影，右側(cè)展示了目標(biāo)模型及其實(shí)驗(yàn)打印結(jié)果

從“物動(dòng)”到“光動(dòng)”就是一個(gè)思路的改變，這很難嗎？可以說(shuō)，這項(xiàng)技術(shù)是對(duì)CAL體積3D打印技術(shù)的重構(gòu)，從光學(xué)模型、調(diào)制方式到精度校準(zhǔn)，全部重新設(shè)計(jì)，具有根本的改變性。如果CAL體積3D打印是讓慢速旋轉(zhuǎn)的材料“接住”光，那DISH體積3D打印就是用高速旋轉(zhuǎn)的光去“雕刻”物體。

DISH技術(shù)裝置示意圖

DISH技術(shù)的主要光學(xué)器件包括405nm相干連續(xù)激光器、數(shù)字微鏡設(shè)備（DMD）、4f系統(tǒng)（物鏡等）、旋轉(zhuǎn)潛望鏡，以及其他輔助組件，用于實(shí)現(xiàn)以下功能：

?? 圖像生成與傳輸

激光照射到數(shù)字DMD上后，其上面的數(shù)百萬(wàn)個(gè)微小鏡子以每秒17000次的速度翻轉(zhuǎn)，這些極小的鏡片包含了圖案信息，生成一個(gè)圖像就被傳輸出去，接著進(jìn)行下一個(gè)圖像生成和傳輸，但這個(gè)過(guò)程極為高速且與旋轉(zhuǎn)潛望鏡嚴(yán)格同步。

這就意味著，在打印開(kāi)始之前，所有的圖像就已經(jīng)以二級(jí)制的形式計(jì)算好了，DMD只要根據(jù)預(yù)設(shè)不斷生成圖像并傳輸即可。

??算法驅(qū)動(dòng)的“動(dòng)態(tài)聚焦”

包含2D圖像的激光束還需要經(jīng)過(guò)4f系統(tǒng)，目的是將圖像精確投射到預(yù)定的打印位置，以及去除“雜光”。其光圈、物鏡等光學(xué)組件是靜態(tài)的，改變焦點(diǎn)的方式通過(guò)算法實(shí)現(xiàn)，這也是“計(jì)算全息光場(chǎng)”的由來(lái)——相干激光+DMD輸出的圖案化光束實(shí)現(xiàn)了對(duì)光波的振幅與相位的獨(dú)立控制，而振幅將用于確定固化發(fā)生的位置和基礎(chǔ)能量，相位將用于確保光波在目標(biāo)點(diǎn)精確疊加（相位相反能量則抵消）確保達(dá)到固化閾值。

而包含了圖案、光波振幅和相位的信息由算法驅(qū)動(dòng)DMD實(shí)現(xiàn)，光從DMD輸出之后到達(dá)三維空間中任意一點(diǎn)的強(qiáng)度均被準(zhǔn)確確定。這種算法驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)聚焦，也突破了傳統(tǒng)體積3D打印尺寸對(duì)景深的依賴，而是通過(guò)算法（全息優(yōu)化）來(lái)繞過(guò)物理限制。

每個(gè)角度的二元圖案全息優(yōu)化流程圖

?? 光場(chǎng)旋轉(zhuǎn)

由4f系統(tǒng)出射的光進(jìn)入旋轉(zhuǎn)潛望鏡，它是兩個(gè)反射鏡組成，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)潛，旋轉(zhuǎn)速度為10轉(zhuǎn)/秒，光束以45°傾角射入樹(shù)脂（樹(shù)脂容器放于潛望鏡前方），通過(guò)不停旋轉(zhuǎn)將圖像投射到材料的不同位置。

?? 高速連續(xù)3D打印

在驗(yàn)證過(guò)程中，DMD在0.6s內(nèi)投射了1800張包含2D圖案的光束，以旋轉(zhuǎn)潛望鏡10轉(zhuǎn)/秒的速度計(jì)算，其旋轉(zhuǎn)了6圈，這意味著每個(gè)位置都投射了多張圖案。這些來(lái)自不同方向、攜帶不同信息的激光束，在樹(shù)脂內(nèi)部相遇并疊加，只有在光強(qiáng)超過(guò)閾值的位置才會(huì)固化，整個(gè)物體也在僅0.6秒內(nèi)被打印出來(lái)。

DISH 打印的各種結(jié)構(gòu)和材料的高分辨率產(chǎn)品

總的來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)研究所提出的體積3D打印方法是一種全新的形式，它基于先進(jìn)算法與硬件創(chuàng)新推動(dòng)體積3D打印技術(shù)進(jìn)入到了一個(gè)新的維度——首次實(shí)現(xiàn)了大體積、高分辨率、亞秒級(jí)制造。清華大學(xué)指出，該技術(shù)將在生物醫(yī)學(xué)、柔性電子、微型機(jī)器人、微納光學(xué)器件等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

注：本文由3D打印技術(shù)參考創(chuàng)作，未經(jīng)聯(lián)系授權(quán)，謝絕轉(zhuǎn)載。

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