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3D打印早已融入制造、醫(yī)療、科研等諸多領(lǐng)域，卻長(zhǎng)期受制于“快與精難以兼得”的技術(shù)瓶頸。近日，清華大學(xué)戴瓊海院士團(tuán)隊(duì)歷時(shí)5年攻關(guān)，在國(guó)際期刊《自然》在線發(fā)表計(jì)算全息光場(chǎng)（DISH）三維打印技術(shù)成果，將毫米尺寸復(fù)雜結(jié)構(gòu)曝光打印時(shí)間壓縮至0.6秒，創(chuàng)下體積3D打印領(lǐng)域的全球新紀(jì)錄，讓增材制造正式邁入“亞秒級(jí)高精度”時(shí)代。

傳統(tǒng)3D打印為何難以兼顧速度與精度；此成果以怎樣的技術(shù)創(chuàng)新突破這一瓶頸；新技術(shù)未來(lái)可應(yīng)用于哪些產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，以及為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用尚需在哪些方面取得突破？帶著行業(yè)最關(guān)注的核心問(wèn)題，科技日?qǐng)?bào)記者對(duì)話(huà)團(tuán)隊(duì)核心成員，以科普視角還原這場(chǎng)顛覆傳統(tǒng)的技術(shù)革命。

為何3D打印始終“快不精、精不快”

“做增材制造的人都繞不開(kāi)這個(gè)矛盾：想快就糙，想精就慢，長(zhǎng)期以來(lái)都難有兩全方案。”論文共同通訊作者、清華大學(xué)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，其底層邏輯決定了速度與精度的天然對(duì)立。材料固化需要固定時(shí)長(zhǎng)，同一時(shí)刻可固化區(qū)域決定打印速度，而精度依賴(lài)三維像素（體素）尺寸，像素越小精度越高，單位時(shí)間可加工體積就越小，速度必然下降。

據(jù)介紹，主流光固化技術(shù)分為逐點(diǎn)、逐層、體積打印三類(lèi)，效率依次提升卻均陷困局。逐點(diǎn)打印如激光立體光刻（SLA），靠激光逐點(diǎn)描圖，精度可達(dá)微米級(jí)，但打印一枚微小零件動(dòng)輒數(shù)十分鐘；逐層打印如數(shù)字光處理（DLP），一次投影一整層，速度提升卻仍受層厚與分辨率限制，精度提上去速度就掉下來(lái)。

“被寄予厚望的體積打印在速度上具備天然優(yōu)勢(shì)，是因?yàn)橐淮握樟亮苏麄€(gè)三維體進(jìn)行光固化反應(yīng)。然而，其雖理論上可全三維同步固化，卻被兩大難題卡死?！眳羌蚊暨M(jìn)一步解釋?zhuān)苌湫?yīng)讓高精度光束僅能在極小范圍聚焦，如同長(zhǎng)焦鏡頭只有焦點(diǎn)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(yùn)轉(zhuǎn)帶來(lái)的振動(dòng)、材料流動(dòng)，直接破壞成型精度。

由此，一旦能夠在光固化化學(xué)反應(yīng)完成前就形成整個(gè)三維光強(qiáng)分布的投影，那么，就有可能實(shí)現(xiàn)目前最快的三維打印速度，而這對(duì)光學(xué)投影系統(tǒng)的速度、精度、穩(wěn)定性都提出了極高要求，傳統(tǒng)技術(shù)難以同時(shí)滿(mǎn)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(wú)法共存，這也成為3D打印向高端領(lǐng)域進(jìn)階的核心瓶頸。

三大原創(chuàng)創(chuàng)新，讓速度與精度雙向奔赴

“DISH是一種體積打印方法，但可以解決傳統(tǒng)體積打印速度與精度之間的矛盾?！闭撐牡谝蛔髡摺⑶迦A大學(xué)自動(dòng)化系博士后王旭康說(shuō)。

面對(duì)行業(yè)頑疾，科研人員沒(méi)有停留在老路上修補(bǔ)，而是從光學(xué)和算法底層重新定義3D打印。

王旭康介紹，DISH技術(shù)以三項(xiàng)顛覆性創(chuàng)新，徹底打破了速度與精度的核心矛盾。針對(duì)衍射效應(yīng)導(dǎo)致的景深不足、精度衰減，團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)計(jì)算全息光場(chǎng)調(diào)控技術(shù)，通過(guò)相干全息光場(chǎng)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的沖突；針對(duì)超大體素量模型，團(tuán)隊(duì)對(duì)1800個(gè)投影角度圖案進(jìn)行三維全息優(yōu)化，采用“從粗到細(xì)”策略，先快速搭建光強(qiáng)框架，再融入折射像差、運(yùn)動(dòng)模糊等實(shí)際因素精細(xì)校準(zhǔn)，將景深從傳統(tǒng)50微米拓展至1厘米，實(shí)現(xiàn)全景深范圍內(nèi)均勻高精度。

硬件設(shè)計(jì)上，團(tuán)隊(duì)做出顛覆式改變：打印容器與材料全程靜止，光束通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)潛望鏡從單一光學(xué)平面進(jìn)入，徹底分離投影系統(tǒng)與打印容器?！斑@一設(shè)計(jì)消除了機(jī)械振動(dòng)與材料流動(dòng)干擾，曝光時(shí)間僅由激光器功率決定?！蓖跣窨当硎?，目前0.6秒的成績(jī)并非極限，未來(lái)搭配更高功率光源，速度還將進(jìn)一步提升。

為保障高速下的精度，科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)了數(shù)字自適應(yīng)光學(xué)矯正技術(shù)，打印前，在容器內(nèi)放置熒光材料，通過(guò)正面與側(cè)面雙相機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控容器內(nèi)的三維光強(qiáng)分布，基于監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通過(guò)反饋機(jī)制動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)所有投影角度的光束參數(shù)，精準(zhǔn)獲取全息優(yōu)化算法所需的投影參數(shù)，有效彌補(bǔ)器件加工、裝配帶來(lái)的誤差，確保高速投影過(guò)程中光強(qiáng)分布的精準(zhǔn)性，讓技術(shù)在0.6秒超高速下，仍保持12微米超高精度，相當(dāng)于頭發(fā)絲直徑的五分之一，真正實(shí)現(xiàn)“高速與精度雙在線”。

賦能千行百業(yè)，產(chǎn)業(yè)化仍待四大突破

“DISH技術(shù)不是簡(jiǎn)單提升速度，而是打開(kāi)了全新應(yīng)用場(chǎng)景?！闭劶爱a(chǎn)業(yè)化前景，中國(guó)工程院院士、清華大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院院長(zhǎng)戴瓊海充滿(mǎn)信心。

戴瓊海表示，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，此項(xiàng)技術(shù)有望加速精準(zhǔn)醫(yī)療與生命科學(xué)研究?？衫蒙锵嗳菪圆牧蠈?shí)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(shí)間，推動(dòng)再生醫(yī)學(xué)、器官移植研究的落地；同時(shí)提升高通量藥物篩選的效率，縮短新藥研發(fā)周期，讓精準(zhǔn)醫(yī)療、個(gè)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(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)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(shí)現(xiàn)光子計(jì)算器件、手機(jī)相機(jī)模組、微納傳感器高效量產(chǎn)，適配航空航天復(fù)雜精密零件加工，解決傳統(tǒng)微制造效率低、定制化難的痛點(diǎn)。無(wú)需專(zhuān)用容器、可在流體管道打印的特性，更讓“定制化+批量化”柔性制造成為可能，契合制造業(yè)數(shù)字化、智能化趨勢(shì)。

從實(shí)驗(yàn)室到大規(guī)模應(yīng)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(jí)，需通過(guò)優(yōu)化光學(xué)系統(tǒng)、研發(fā)新型材料，解決光束在材料中的衰減問(wèn)題；全息優(yōu)化算法處理復(fù)雜模型耗時(shí)較長(zhǎng)，未來(lái)需引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、GPU加速提升效率；激光散斑帶來(lái)的表面?zhèn)斡?，需通過(guò)光路優(yōu)化、多全息圖技術(shù)、后處理工藝消除；流體管道連續(xù)打印場(chǎng)景，亟須構(gòu)建精準(zhǔn)送料、固化監(jiān)測(cè)、產(chǎn)物定位的全流程流體控制系統(tǒng)。

總體來(lái)看，該技術(shù)在應(yīng)用場(chǎng)景、成本優(yōu)勢(shì)與產(chǎn)業(yè)化前景上具備突出優(yōu)勢(shì)，但仍需在打印尺寸、算法效率、表面質(zhì)量、流體控制等方面持續(xù)攻關(guān)，才能真正實(shí)現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)室技術(shù)向規(guī)?；I(yè)應(yīng)用的跨越。

“現(xiàn)在，我們正朝著工業(yè)化方向持續(xù)迭代，讓這項(xiàng)中國(guó)原創(chuàng)技術(shù)早日走進(jìn)工廠、醫(yī)院，賦能千行百業(yè)?！贝鳝偤３錆M(mǎn)信心地表示。

（受訪者供圖）