如今，3D打印技術(shù)已融入制造、醫(yī)療、科研等諸多領(lǐng)域，然而，“快與精難以兼得”的技術(shù)瓶頸制約了其進一步發(fā)展。為破解這一瓶頸，中國工程院院士、清華大學信息科學技術(shù)學院院長戴瓊海團隊歷時5年攻關(guān)，研發(fā)出計算全息光場（DISH）三維打印技術(shù)，將毫米尺寸復雜結(jié)構(gòu)曝光打印時間壓縮至0.6秒，讓增材制造正式邁入“亞秒級高精度”時代。相關(guān)研究成果近日在線發(fā)表于國際期刊《自然》。
傳統(tǒng)3D打印為何難以兼顧速度與精度？新技術(shù)如何突破這一瓶頸，未來可為產(chǎn)業(yè)應用帶來哪些變革？帶著這些問題，科技日報記者對話團隊核心成員，還原這場顛覆傳統(tǒng)的技術(shù)革命。
3D打印為何“快不精、精不快”
“做增材制造的人，幾乎都繞不開這個矛盾：想快就糙，想精就慢，長期以來難有兩全方案。”論文共同通訊作者、清華大學副教授吳嘉敏直言。
吳嘉敏介紹，目前光固化是高效3D打印的主流技術(shù)路線之一，但其底層邏輯決定了速度與精度存在天然對立。材料固化需要固定時長，單位時間內(nèi)可固化的區(qū)域大小決定了打印速度，而精度依賴三維像素（體素）尺寸——像素越小、精度越高，單位時間可加工體積就越小，速度自然下降。
據(jù)介紹，主流光固化技術(shù)分為逐點、逐層、體積打印三類，效率依次提升，但各自面臨不同困局。逐點打印如激光立體光刻（SLA），依靠激光逐點掃描，精度可達微米級，但打印一枚微小零件往往耗費數(shù)十分鐘；逐層打印如數(shù)字光處理（DLP），一次投影固化一整層，速度有所提升，卻仍受層厚與分辨率的制約，精度一旦提高，速度就會下降。
“被寄予厚望的體積打印在速度方面具備天然優(yōu)勢，因為它一次性照亮整個三維體進行光固化反應。然而，其仍存在兩大問題。”吳嘉敏進一步解釋，衍射效應使高精度光束僅能在極小范圍內(nèi)聚焦，類似長焦鏡頭只有焦點處清晰，物體稍大精度就急劇衰減；傳統(tǒng)體積打印必須旋轉(zhuǎn)樣本，高速運轉(zhuǎn)帶來的振動、材料流動，會直接破壞成型精度。
因此，如果能夠在光固化化學反應完成前，就形成完整的三維光強分布投影，就有可能實現(xiàn)目前最快的三維打印速度。而這對于光學投影系統(tǒng)的速度、精度和穩(wěn)定性都提出了極高要求，傳統(tǒng)技術(shù)難以同時滿足。所謂“焦面附近清晰、離焦區(qū)域模糊”成為行業(yè)常態(tài)，高精度與大尺寸、高速度始終無法共存。這也成為3D打印向高端領(lǐng)域進階的核心瓶頸。
體積打印新方法破解兩難矛盾
“DISH是一種體積打印方法，可以解決傳統(tǒng)體積打印中速度與精度之間的矛盾?！闭撐牡谝蛔髡摺⑶迦A大學自動化系博士后王旭康說。
面對技術(shù)瓶頸，團隊成員從光學和算法底層出發(fā)，重新定義3D打印。
王旭康介紹，DISH技術(shù)通過三項顛覆性創(chuàng)新，徹底破解了速度與精度之間的核心矛盾。針對衍射效應導致的景深不足、精度衰減問題，團隊首創(chuàng)計算全息光場調(diào)控技術(shù)，通過相干全息光場拓展所有投影角度光束的景深，將衍射編碼與多角度旋轉(zhuǎn)同步結(jié)合，從根源上解決了尺寸與精度之間的矛盾；面對超大體素量模型，團隊對1800個投影角度圖案進行三維全息優(yōu)化，采用“從粗到細”策略——先快速搭建光強框架，再逐步融入折射像差、運動模糊等實際因素進行精細校準，將景深從傳統(tǒng)的50微米拓展至1厘米，實現(xiàn)了在全景深范圍內(nèi)保持均勻高精度。
在硬件設計方面，團隊做出了顛覆式改變：打印容器與材料全程保持靜止，光束通過高速旋轉(zhuǎn)的潛望鏡從單一光學平面入射，使得投影系統(tǒng)與打印容器完全分離?！斑@一設計消除了機械振動與材料流動的干擾，曝光時間僅由激光器功率決定?！蓖跣窨到榻B，目前團隊取得的0.6秒的成績并非極限，未來搭配更高功率光源，速度還將進一步提升。
為確保高速打印下的精度，團隊研發(fā)了數(shù)字自適應光學矯正技術(shù)，打印前，在容器內(nèi)放置熒光材料，通過正面與側(cè)面雙相機實時監(jiān)控容器內(nèi)的三維光強分布，基于監(jiān)控數(shù)據(jù)，通過反饋機制動態(tài)調(diào)節(jié)所有投影角度的光束參數(shù)，精準獲取全息優(yōu)化算法所需的投影參數(shù)，有效彌補器件加工、裝配帶來的誤差，確保高速投影過程中光強分布的精準性。該技術(shù)使打印在0.6秒的超高速下，仍能保持12微米的超高精度——相當于頭發(fā)絲直徑的五分之一，真正實現(xiàn)“高速與精度雙在線”。
賦能千行百業(yè)仍需突破瓶頸
“DISH技術(shù)不是簡單提升速度，而是打開了3D打印全新的應用場景。”談及產(chǎn)業(yè)化前景，戴瓊海充滿信心。
戴瓊海表示，在生物醫(yī)學領(lǐng)域，此項技術(shù)有望加速精準醫(yī)療與生命科學研究的進程。借助生物相容性材料，可實現(xiàn)血管、組織模型的高精度快速打印，甚至在生物組織上原位打印，大幅降低組織工程模型的制備成本與時間，推動再生醫(yī)學、器官移植研究的落地。同時，該技術(shù)可提升高通量藥物篩選的效率，縮短新藥研發(fā)周期，讓精準醫(yī)療、個性化生物器件制造成為可能，惠及民生健康。
在高端制造領(lǐng)域，這一技術(shù)有望推動產(chǎn)業(yè)升級與效率革命。超高速、批量連續(xù)的打印能力可融入工業(yè)流水線，實現(xiàn)光子計算器件、手機相機模組、微納傳感器高效量產(chǎn)，適配航空航天領(lǐng)域復雜精密零件的加工，破解傳統(tǒng)微制造效率低、定制化難的痛點。該技術(shù)無需專用容器、可在流體管道中打印的特性，更讓“定制化+批量化”的柔性制造成為可能，契合制造業(yè)數(shù)字化、智能化的趨勢。
雖然前景光明，但從實驗室走向大規(guī)模應用，DISH技術(shù)仍需突破四大瓶頸。戴瓊海坦言，目前打印尺寸局限于厘米級，需通過優(yōu)化光學系統(tǒng)、研發(fā)新型材料，解決光束在材料中的衰減問題；全息優(yōu)化算法在處理復雜模型時耗時較長，未來需引入神經(jīng)網(wǎng)絡、GPU加速以提升效率；激光散斑帶來的表面?zhèn)斡?，需通過光路優(yōu)化、多全息圖技術(shù)、后處理工藝加以消除；流體管道連續(xù)打印場景，亟須構(gòu)建集精準送料、固化監(jiān)測、產(chǎn)物定位于一體的全流程流體控制系統(tǒng)。
“現(xiàn)在，我們正朝著工業(yè)化方向持續(xù)迭代，爭取讓這項中國原創(chuàng)技術(shù)早日走進工廠、醫(yī)院，賦能千行百業(yè)?！贝鳝偤Ｕf。（華凌）
（責任編輯：蔡文斌）
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