我国三维打印技术实现亚秒级突破 毫米级结构0.6秒成型创世界纪录

三维打印作为连接科学研究与工业制造的重要技术路径,长期面临“速度、精度、材料适配”难以同时兼顾的瓶颈。

特别是在生物医学支架、微流控器件、微纳结构构件等应用中,既需要在短时间内完成复杂结构构建,又要保证微米级细节与稳定一致的质量输出。

如何在不依赖复杂机械运动的情况下实现快速、稳定的体积成型,成为制约相关领域产业化与规模化应用的关键问题之一。

针对上述痛点,清华大学戴琼海院士团队提出并实现了“计算全息光场(DISH)”体积三维打印新方法。

据清华大学发布信息,该团队通过将计算光学中用于光场信息获取的思路反向用于实体构建,基于计算成像的逆过程对系统进行设计,实现从“信息捕捉”向“实体制造”的跨越式应用。

其核心在于通过合成全息光场,在极短时间内完成对三维体素的整体曝光,从而突破传统逐层累积带来的效率上限。

从原因层面看,体积三维打印虽然具备一次性构建三维结构的潜力,但在实际实现中常受光学像差、景深限制和材料流动等因素影响:曝光时间长,材料在重力或流动作用下产生形变,进而影响结构精度;景深不足导致不同深度区域成像质量差异明显,难以获得一致的分辨率;为追求精度往往需要高精度机械运动或特殊容器设计,系统复杂、成本高、可扩展性受限。

此次DISH技术在算法与光学系统协同优化方面实现突破,团队自主研发像差校正与三维全息算法,将同参数条件下景深由传统约50微米拓展至1厘米,并在1厘米范围内保持约11微米的稳定光学分辨率,打印产物最细独立特征达到12微米,从根本上缓解了“深度越大、成像越差”的结构性矛盾。

在影响层面,这一突破首先体现在速度与稳定性的同步提升。

团队实现毫米尺寸复杂结构曝光时间0.6秒的新纪录,曝光速度较传统体积打印提升数十倍。

更重要的是,超短曝光显著削弱材料流动对成型的干扰,使技术对材料体系更具适配性:从近似水粘度的稀溶液到高粘度树脂均可兼容,为生物材料、功能高分子等多类应用打开空间。

同时,打印容器无需特殊设计、无需高精度机械运动,并可在流体管道内实现批量连续打印,意味着该技术不仅适用于实验室“单件精品”,也具备向连续化、规模化制造延伸的潜力,有助于拓展三维打印的工程应用边界。

面向对策与落地,业内普遍关注从“论文指标”到“产业能力”的转化路径。

下一步推进应用,需要在三个方面形成合力:一是围绕典型场景建立工艺窗口与质量评价体系,明确不同材料体系下的曝光参数、固化行为与结构力学性能之间的对应关系;二是推动设备与软件的工程化集成,提升系统稳定性、重复性与易用性,形成可复制的解决方案;三是加强与医疗器械、微纳加工、检测计量等环节的协同,完善从设计、制造到检测的闭环,推动成果在细分领域率先形成示范应用。

从前景判断看,亚秒级体积三维打印为“高精度、快制造、广材料”的统一提供了新的技术路线,有望带动生物医学器件快速制备、微纳功能结构制造、复杂内部通道器件生产等方向的技术升级。

随着算法、光源、材料与检测手段的进一步进步,未来在更大尺度、更多材料体系以及更高一致性要求下实现稳定制造,将成为检验该技术迈向应用的重要标尺。

相关研究成果已以《基于全息光场合成的亚秒级体积三维打印》为题发表于《自然》,为国际前沿领域提供了来自中国的创新方案与可验证路径。

这项研究成果的取得,充分体现了我国在精密制造和光学技术领域的创新能力和研发水平。

从基础理论创新到工程应用突破,清华大学团队的这一成就不仅刷新了三维打印技术的性能纪录,更重要的是为解决制造业中的关键技术难题提供了新的思路和方案。

随着该技术的不断完善和推广应用,必将在推动我国制造业向高端化、精密化方向发展中发挥重要作用,为建设制造强国贡献科技力量。