2026年第3篇3D打印Nature！一項開創性的全新技術！

2026年第3篇與3D打印技術相關的nature正刊文章于2月11日發表。來自清華大學的戴瓊海院士團隊發表了題為“Sub-second volumetric 3D printing by synthesis of holographic light fields （通過合成全息光場實現亞秒體積3D打印）”的文章。

該研究提出了一種稱之為“計算全息光場（DISH）”的全新體積3D打印方法，將打印速度本就高出常規增材制造技術幾個數量級的傳統體積3D打印速度再提升了數十倍，且零件在1cm范圍內能保持19μm的高分辨率，打破了制造速度、尺寸、精度不能兼得的限制，在生物醫學、微納光學組件、柔性電子、微型機器人等多個領域展現出廣泛的應用潛力。

3D打印制造速度的不斷發展

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

傳統DLP與CLIP技術的打印過程比較

為進一步提升速度，體積3D打印技術應運而生。目前基于光場的體積3D打印方法主要有Xolography推出的“交叉光刻”的技術以及最初由HRL推出的“計算軸向光刻（CAL） ”技術等。但這兩類技術均有不足。

?? “交叉光刻”的速度限制

Xolography的聚合反應由兩個波長的光引發——一個來自穿過靜止樹脂的移動光片，另一個來自正交投影——兩束光同時匯聚引發固化。因此這項技術所打印的樹脂就含有雙色光引發劑。這種特殊的引發劑在參與一次光化學反應后會進入一種“鈍化態”，無法立即再次反應，需要一定時間才能恢復。因此，光片的移動速度就要控制，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技術快104-105倍。

雙步光化學實現體積3D打印

?? “軸向光刻”的尺寸、精度與材料限制

計算軸向光刻（CAL）技術的原理是通過從不同角度投射2D光圖案，在樹脂內部疊加出3D光分布，從而同步打印整個零件。在具體的實踐過程中并不依賴多臺光機，而是讓樹脂容器360°旋轉，單光機就能各個角度投射圖案。

論文指出，樹脂容器的旋轉帶來了一系列問題：首先是沒辦法在固定表面上進行原位3D打印，而且為了避免圖案錯位、振動，旋轉速度就得限制；進一步的影響是，已打印的部分會出現下沉的風險，因此CAL技術需要使用高粘度樹脂；除此之外，CAL技術難以同時保障制造尺寸與精度。

計算軸向光刻技術實現體積3D打印

DISH技術的核心突破

對當前主流的基于光場的體積3D打印技術相比，“計算全息光場”技術帶來了多項突破：

?? 打印速度再提升數十倍

無論是此前的“交叉光刻”還是“計算軸向光刻（CAL） ”，體積3D打印本身的速度已經比傳統基于層層制造的3D打印速度高出了幾個數量級，而DISH技術將體積3D打印速度再提升幾十倍。此前需要幾十秒才能通過體積3D打印制造的厘米級物體，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器件景深的限制，打印厘米級物體的精度就會變得很差，而基于算法的光波傳輸與旋轉光學所實現了動態聚焦，精妙的繞過了光學器件的物理限制，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

傳統體積3D打印因為速度相對較慢，已成型部分會出現下沉而不得不使用高粘度樹脂，而DISH技術因為速度幾十倍的提升，因此可以打印粘度更低的樹脂，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）的打印過程，打印成品在曝光后逐漸顯現，隨后在重力作用下沉入水中

?? 打印場景更加豐富

與軸向光刻體積3D打印的樹脂旋轉相比，在靜態樹脂中可以實現原位打印，也可以用流體樹脂代替靜態樹脂實現連續不間斷和批量化的打印。

多種結構連續3D打印

DISH技術的實現方式

為解決傳統體積3D打印各種相互掣肘的技術不足，清華大學的研究團隊調整了CAL體積3D打印的思路——變旋轉樹脂容器為旋轉光場，同時解決了速度問題、材料選擇問題以及制造精度問題。

a.多角度投影用于在固定容器內生成三維光強分布；b.旋轉潛望鏡設計用于生成由DMD調制的高速旋轉光圖投影，右側展示了目標模型及其實驗打印結果

從“物動”到“光動”就是一個思路的改變，這很難嗎？可以說，這項技術是對CAL體積3D打印技術的重構，從光學模型、調制方式到精度校準，全部重新設計，具有根本的改變性。如果CAL體積3D打印是讓慢速旋轉的材料“接住”光，那DISH體積3D打印就是用高速旋轉的光去“雕刻”物體。

DISH技術裝置示意圖

DISH技術的主要光學器件包括405nm相干連續激光器、數字微鏡設備（DMD）、4f系統（物鏡等）、旋轉潛望鏡，以及其他輔助組件，用于實現以下功能：

?? 圖像生成與傳輸

激光照射到數字DMD上后，其上面的數百萬個微小鏡子以每秒17000次的速度翻轉，這些極小的鏡片包含了圖案信息，生成一個圖像就被傳輸出去，接著進行下一個圖像生成和傳輸，但這個過程極為高速且與旋轉潛望鏡嚴格同步。

這就意味著，在打印開始之前，所有的圖像就已經以二級制的形式計算好了，DMD只要根據預設不斷生成圖像并傳輸即可。

??算法驅動的“動態聚焦”

包含2D圖像的激光束還需要經過4f系統，目的是將圖像精確投射到預定的打印位置，以及去除“雜光”。其光圈、物鏡等光學組件是靜態的，改變焦點的方式通過算法實現，這也是“計算全息光場”的由來——相干激光+DMD輸出的圖案化光束實現了對光波的振幅與相位的獨立控制，而振幅將用于確定固化發生的位置和基礎能量，相位將用于確保光波在目標點精確疊加（相位相反能量則抵消）確保達到固化閾值。

而包含了圖案、光波振幅和相位的信息由算法驅動DMD實現，光從DMD輸出之后到達三維空間中任意一點的強度均被準確確定。這種算法驅動的動態聚焦，也突破了傳統體積3D打印尺寸對景深的依賴，而是通過算法（全息優化）來繞過物理限制。

每個角度的二元圖案全息優化流程圖

?? 光場旋轉

由4f系統出射的光進入旋轉潛望鏡，它是兩個反射鏡組成，由伺服電機驅動潛，旋轉速度為10轉/秒，光束以45°傾角射入樹脂（樹脂容器放于潛望鏡前方），通過不停旋轉將圖像投射到材料的不同位置。

?? 高速連續3D打印

在驗證過程中，DMD在0.6s內投射了1800張包含2D圖案的光束，以旋轉潛望鏡10轉/秒的速度計算，其旋轉了6圈，這意味著每個位置都投射了多張圖案。這些來自不同方向、攜帶不同信息的激光束，在樹脂內部相遇并疊加，只有在光強超過閾值的位置才會固化，整個物體也在僅0.6秒內被打印出來。

DISH 打印的各種結構和材料的高分辨率產品

總的來說，這項研究所提出的體積3D打印方法是一種全新的形式，它基于先進算法與硬件創新推動體積3D打印技術進入到了一個新的維度——首次實現了大體積、高分辨率、亞秒級制造。清華大學指出，該技術將在生物醫學、柔性電子、微型機器人、微納光學器件等領域發揮重要作用。

注：本文由3D打印技術參考創作，未經聯系授權，謝絕轉載。

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