2026年第3篇3D打印Nature！一项开创性的全新技术！

2026年第3篇与3D打印技术相关的nature正刊文章于2月11日发表。来自清华大学的戴琼海院士团队发表了题为“Sub-second volumetric 3D printing by synthesis of holographic light fields （通过合成全息光场实现亚秒体积3D打印）”的文章。

该研究提出了一种称之为“计算全息光场（DISH）”的全新体积3D打印方法，将打印速度本就高出常规增材制造技术几个数量级的传统体积3D打印速度再提升了数十倍，且零件在1cm范围内能保持19µm的高分辨率，打破了制造速度、尺寸、精度不能兼得的限制，在生物医学、微纳光学组件、柔性电子、微型机器人等多个领域展现出广泛的应用潜力。

3D打印制造速度的不断发展

常规的3D打印技术可谓多种多样，它们分别在不同的工业场景下发挥了重要作用。传统光固化（SLA、DLP)技术的精度高，但效率低；双光子聚合（TPP）具有极高的精度，但速度却极慢，批量生产面临困难；连续液面3D打印技术（CLIP等），虽提升了打印速度，但仍然没有摆脱层层制造的基本原理。

传统DLP与CLIP技术的打印过程比较

为进一步提升速度，体积3D打印技术应运而生。目前基于光场的体积3D打印方法主要有Xolography推出的“交叉光刻”的技术以及最初由HRL推出的“计算轴向光刻（CAL） ”技术等。但这两类技术均有不足。

➡️ “交叉光刻”的速度限制

Xolography的聚合反应由两个波长的光引发——一个来自穿过静止树脂的移动光片，另一个来自正交投影——两束光同时汇聚引发固化。因此这项技术所打印的树脂就含有双色光引发剂。这种特殊的引发剂在参与一次光化学反应后会进入一种“钝化态”，无法立即再次反应，需要一定时间才能恢复。因此，光片的移动速度就要控制，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技术快104-105倍。

双步光化学实现体积3D打印

➡️ “轴向光刻”的尺寸、精度与材料限制

计算轴向光刻（CAL）技术的原理是通过从不同角度投射2D光图案，在树脂内部叠加出3D光分布，从而同步打印整个零件。在具体的实践过程中并不依赖多台光机，而是让树脂容器360°旋转，单光机就能各个角度投射图案。

论文指出，树脂容器的旋转带来了一系列问题：首先是没办法在固定表面上进行原位3D打印，而且为了避免图案错位、振动，旋转速度就得限制；进一步的影响是，已打印的部分会出现下沉的风险，因此CAL技术需要使用高粘度树脂；除此之外，CAL技术难以同时保障制造尺寸与精度。

计算轴向光刻技术实现体积3D打印

DISH技术的核心突破

对当前主流的基于光场的体积3D打印技术相比，“计算全息光场”技术带来了多项突破：

➡️ 打印速度再提升数十倍

无论是此前的“交叉光刻”还是“计算轴向光刻（CAL） ”，体积3D打印本身的速度已经比传统基于层层制造的3D打印速度高出了几个数量级，而DISH技术将体积3D打印速度再提升几十倍。此前需要几十秒才能通过体积3D打印制造的厘米级物体，如今只需要不到1秒。

➡️ 打印尺寸更大，精度更高

此前体积3D打印的尺寸受到光学器件景深的限制，打印厘米级物体的精度就会变得很差，而基于算法的光波传输与旋转光学所实现了动态聚焦，精妙的绕过了光学器件的物理限制，使体积打印能够以更高精度打印尺寸更大的物体。

➡️ 打印材料更多样

传统体积3D打印因为速度相对较慢，已成型部分会出现下沉而不得不使用高粘度树脂，而DISH技术因为速度几十倍的提升，因此可以打印粘度更低的树脂，其甚至可以打印与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）的打印过程，打印成品在曝光后逐渐显现，随后在重力作用下沉入水中

➡️ 打印场景更加丰富

与轴向光刻体积3D打印的树脂旋转相比，在静态树脂中可以实现原位打印，也可以用流体树脂代替静态树脂实现连续不间断和批量化的打印。

多种结构连续3D打印

DISH技术的实现方式

为解决传统体积3D打印各种相互掣肘的技术不足，清华大学的研究团队调整了CAL体积3D打印的思路——变旋转树脂容器为旋转光场，同时解决了速度问题、材料选择问题以及制造精度问题。

a.多角度投影用于在固定容器内生成三维光强分布；b.旋转潜望镜设计用于生成由DMD调制的高速旋转光图投影，右侧展示了目标模型及其实验打印结果

从“物动”到“光动”就是一个思路的改变，这很难吗？可以说，这项技术是对CAL体积3D打印技术的重构，从光学模型、调制方式到精度校准，全部重新设计，具有根本的改变性。如果CAL体积3D打印是让慢速旋转的材料“接住”光，那DISH体积3D打印就是用高速旋转的光去“雕刻”物体。

DISH技术装置示意图

DISH技术的主要光学器件包括405nm相干连续激光器、数字微镜设备（DMD）、4f系统（物镜等）、旋转潜望镜，以及其他辅助组件，用于实现以下功能：

➡️ 图像生成与传输

激光照射到数字DMD上后，其上面的数百万个微小镜子以每秒17000次的速度翻转，这些极小的镜片包含了图案信息，生成一个图像就被传输出去，接着进行下一个图像生成和传输，但这个过程极为高速且与旋转潜望镜严格同步。

这就意味着，在打印开始之前，所有的图像就已经以二级制的形式计算好了，DMD只要根据预设不断生成图像并传输即可。

➡️算法驱动的“动态聚焦”

包含2D图像的激光束还需要经过4f系统，目的是将图像精确投射到预定的打印位置，以及去除“杂光”。其光圈、物镜等光学组件是静态的，改变焦点的方式通过算法实现，这也是“计算全息光场”的由来——相干激光+DMD输出的图案化光束实现了对光波的振幅与相位的独立控制，而振幅将用于确定固化发生的位置和基础能量，相位将用于确保光波在目标点精确叠加（相位相反能量则抵消）确保达到固化阈值。

而包含了图案、光波振幅和相位的信息由算法驱动DMD实现，光从DMD输出之后到达三维空间中任意一点的强度均被准确确定。这种算法驱动的动态聚焦，也突破了传统体积3D打印尺寸对景深的依赖，而是通过算法（全息优化）来绕过物理限制。

每个角度的二元图案全息优化流程图

➡️ 光场旋转

由4f系统出射的光进入旋转潜望镜，它是两个反射镜组成，由伺服电机驱动潜，旋转速度为10转/秒，光束以45°倾角射入树脂（树脂容器放于潜望镜前方），通过不停旋转将图像投射到材料的不同位置。

➡️ 高速连续3D打印

在验证过程中，DMD在0.6s内投射了1800张包含2D图案的光束，以旋转潜望镜10转/秒的速度计算，其旋转了6圈，这意味着每个位置都投射了多张图案。这些来自不同方向、携带不同信息的激光束，在树脂内部相遇并叠加，只有在光强超过阈值的位置才会固化，整个物体也在仅0.6秒内被打印出来。

DISH 打印的各种结构和材料的高分辨率产品

总的来说，这项研究所提出的体积3D打印方法是一种全新的形式，它基于先进算法与硬件创新推动体积3D打印技术进入到了一个新的维度——首次实现了大体积、高分辨率、亚秒级制造。清华大学指出，该技术将在生物医学、柔性电子、微型机器人、微纳光学器件等领域发挥重要作用。

注：本文由3D打印技术参考创作，未经联系授权，谢绝转载。

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