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(jìn)一步發(fā)展。為破解這一瓶頸，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)戴瓊海團(tuán)隊(duì)歷時(shí)5年攻關(guān)，研發(fā)出計(jì)算全息光場(chǎng)（DISH）三維打印技術(shù)，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，讓增材制造正式邁入“亞秒級(jí)高精度”時(shí)代。相關(guān)研究成果近日在線發(fā)表于國(guó)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(lái)可為產(chǎn)業(yè)應(yīng)用帶來(lái)哪些變革？帶著這些問(wèn)題，科技日?qǐng)?bào)記者對(duì)話團(tuán)隊(duì)核心成員，還原這場(chǎng)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(gè)矛盾：想快就糙，想精就慢，長(zhǎng)期以來(lái)難有兩全方案?！闭撐墓餐ㄓ嵶髡摺⑶迦A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，但其底層邏輯決定了速度與精度存在天然對(duì)立。材料固化需要固定時(shí)長(zhǎng)，單位時(shí)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(shí)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(diǎn)、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(diǎn)打印如激光立體光刻（SLA），依靠激光逐點(diǎn)掃描，精度可達(dá)微米級(jí)，但打印一枚微小零件往往耗費(fèi)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(huì)下降。
“被寄予厚望的體積打印在速度方面具備天然優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗淮涡哉樟琳麄€(gè)三維體進(jìn)行光固化反應(yīng)。然而，其仍存在兩大問(wèn)題。”吳嘉敏進(jìn)一步解釋，衍射效應(yīng)使高精度光束僅能在極小范圍內(nèi)聚焦，類似長(zhǎng)焦鏡頭只有焦點(diǎn)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(yùn)轉(zhuǎn)帶來(lái)的振動(dòng)、材料流動(dòng)，會(huì)直接破壞成型精度。
因此，如果能夠在光固化化學(xué)反應(yīng)完成前，就形成完整的三維光強(qiáng)分布投影，就有可能實(shí)現(xiàn)目前最快的三維打印速度。而這對(duì)于光學(xué)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(shí)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(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。
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。”論文第一作者、清華大學(xué)自動(dòng)化系博士后王旭康說(shuō)。
面對(duì)技術(shù)瓶頸，團(tuán)隊(duì)成員從光學(xué)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(guò)三項(xiàng)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(duì)衍射效應(yīng)導(dǎo)致的景深不足、精度衰減問(wèn)題，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之間的矛盾；面對(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，再逐步融入折射像差、運(yùn)動(dòng)模糊等實(shí)際因素進(jìn)行精細(xì)校準(zhǔn)，將景深從傳統(tǒng)的50微米拓展至1厘米，實(shí)現(xiàn)了在全景深范圍內(nèi)保持均勻高精度。
在硬件設(shè)計(jì)方面，團(tuán)隊(duì)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(guò)高速旋轉(zhuǎn)的潛望鏡從單一光學(xué)平面入射，使得投影系統(tǒng)與打印容器完全分離。“這一設(shè)計(jì)消除了機(jī)械振動(dòng)與材料流動(dòng)的干擾，曝光時(shí)間僅由激光器功率決定?！蓖跣窨到榻B，目前團(tuán)隊(duì)取得的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。
為確保高速打印下的精度，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。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(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)仍需突破瓶頸
“DISH技術(shù)不是簡(jiǎn)單提升速度，而是打開了3D打印全新的應(yīng)用場(chǎng)景?！闭劶爱a(chǎn)業(yè)化前景，戴瓊海充滿信心。
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)研究的進(jìn)程。借助生物相容性材料，可實(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)，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(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)，適配航空航天領(lǐng)域復(fù)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(diǎn)。該技術(shù)無(wú)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(shì)。
雖然前景光明，但從實(shí)驗(yàn)室走向大規(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)化算法在處理復(fù)雜模型時(shí)耗時(shí)較長(zhǎng)，未來(lái)需引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、GPU加速以提升效率；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)、后處理工藝加以消除；流體管道連續(xù)打印場(chǎng)景，亟須構(gòu)建集精準(zhǔn)送料、固化監(jiān)測(cè)、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(zhēng)取讓這項(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Ｕf(shuō)。（華凌）
（責(zé)任編輯：蔡文斌）
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