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3D 打印从运行到完成需要多久？ 以毫米级物体为例，逐点和逐层打印需要长达数分钟到数小时的时候进行加工，典型的体积 3D 打印也需要数十秒曝光时候。 当今一切发生了神奇的变化：科学家们发明了一种新时间，它让 3D 打印像影相闪光灯那样“咔嚓”一下，眨眼的功夫就完成了。而且，通盘打印过程中材料和容器齐是静止的，而不是像传统 3D 打印那样容器与探头之间需要相对畅通。
那么，它是如何作念到的？ 这项计划来自清华大学戴琼海院士、吴嘉敏副教训和方璐教训团队，他们建设了一种全息光场数字合成的体积 3D 打印时间——数字非筹商全息光时事成（DISH，digital incoherent synthesis of holographic light fields）。 值得诊疗的是，该计划是体积 3D 打印限制初次毫米（mm）结构顺序上，同期达成了亚秒级速率和十微米级辩认率。 以生成体积约 200 mm³ 的样品为例，据测算，DISH 时间的 3D 打印曝光时候仅 0.6 秒（s），体积打印速率为 333 mm³/s，特别于每秒生成上亿（1.25×10⁸）个体素（注：体素指的是三维空间中的体积像素）。而且，在 1 厘米范围内保握 11 微米的投影辩认率和 19 微米的打印辩认率。 这项时间为高速、个性化地 3D 打印轻飘精密的结构提供了一种全新有经营，例如东谈主造血管、袖珍光学镜片、定制化药物筛选模子等。审稿东谈主以为该计划是体积增材制造限制的一项蹙迫施展，并称其是“迄今为止报谈的最快体积 3D 打印时候”。 筹商论文以《基于全息光时事成的亚秒级体积三维打印》（Sub-second Volumetric 3D Printing by Synthesis of Holographic Light Fields）为题发表在 Nature[1]。清华大学成像与智能时间履行室的戴琼海院士、吴嘉敏副教训和电子系方璐教训担任共同通信作家，博士后王旭康、博士后马卓见和博士生牛一涵是共归拢作。  从“看见”三维到“造出”三维：把成像经由绝对反过来 清华大学成像与智能时间履行室恒久深耕于计较光学限制，十余年来在显微成像、天文成像、光计较等多个标的得到了凸起落幕与无为应用。 显微成像光路的基本操作经由是：从生物样本拍到多角度投影图，再通过光场三维重建算法，终末得到计较机上的三维模子。而这项计划发祥于计划东谈主员的反向想维：淌若将光路操作的旧例经由反过来操作会怎么？ 也等于说，先有三维模子，然后通过算法将其调整成多视角投影，终末在容器中投影出高维光场，创造三维实体。 “咱们那时初步盘问出这个想法的时候相配慷慨，淌若能通过材料或其他化学反应反应三维光漫步，那就很有可能专揽光场构建物体。”王旭康对 DeepTech 示意。  “一闪即印”的要道：平直三维光场投影 3D 打印限制存在着一个自然的矛盾，淌若精度高，速率常常相对较慢，例如双光子微纳加工；淌若追求速率，打印出来的物品常常很鄙俚，比如建筑类 3D 打印。 这是因为传统 3D 打印方法继承的是逐点或逐层形式，其纪律投影出来的是一个点（零维）或一个面（二维），然后再和谐机械迁移完成三维打印。其打印时候一般取决于线扫描、层扫描速率和材料填充的速率，总加工时候常常在几分钟到几小时。 2019 年在 Science 发表的限制内首篇对于体积三维打印论文 [2] 中，光束从侧面射入一个旋转畅通的圆柱描摹器，达成了一样 CT 的投影模式（用垂直于旋转轴的多视角成像收复三维模子），将总曝光时候镌汰到了 30 秒傍边。 而清华的这项计划最大的改换在于，计划团队联想了高速旋转的潜望镜系统，平直在静止容器内投出高精度三维光场，不仅将总曝光时候镌汰到了 1 秒以内，还幸免了因容器畅通激发的机械振动以及材料流动问题。 “咱们建议了一种全新的、平直三维投影的形式，特别于跳过了总共材料筹商的机械扫描门径，通盘容器是静止不动的。”马卓见告诉 DeepTech。  在精度优化方面，为碎裂“高辩认率难以大景深”的物理收尾，计划团队基于在计较光学方面多年的时间积存，通过数字自适合光学方法，先把投影校准精度提高到 2 个投影像素，然后将光路中的像差建模并矫正，终末用全息算法对景深进行拓展。这种拓展景深的全息光场时间，为快速打印上亿级体素奠定了蹙迫基础。 计划东谈主员搭建的高速旋转的潜望镜系统专为高速打印联想，能以 10 转/秒的速率，投射由数字微镜器件（DMD，Digital Micromirror Device）调制的高辩认率图案光束。 DMD 能以朝上 17,000 赫兹的频率快速切换图案，在 0.06 秒内投影 1,000 帧，相配符合高速打印场景。关联词，DMD 只可原生投射出二值图案（注：仅含亮和暗两种像素气象，无灰度渐变），对算法建议了更高的要求。 王旭康例如说谈：“因为 DMD 只可投影二值图案，且系统不同期刻投影出的光束之间清寒筹商性，咱们不可将灰度图像平直用 DMD 投影出来。计议到 DMD 这一硬件方面的不及，咱们联想了一套优化算法好像拟合灰度的光强漫步，通过惩办二值全息问题达成了相对祈望的投影效果。” 基于这些探索，该系统将景深拓展到 1 厘米，远超同条目下传统物镜景深 50 微米范围。而且，在通盘 1 厘米范围内，光学辩认率平稳保握在平均 11 微米的水平，打印居品最细沉寂特征达 12 微米。 除此以外，传统的体积三维打印时间常常需要相配得意的材料，原因在于：一方面可抵制打印过程中的样本下千里，另一方面好像贯注容器在旋转时因惯性发生的材料流动，从而幸免样本变形和投影错位。 DISH 时间超短曝光时候带来的显赫变化是，在曝光固化时间，惟有光束在高速迁移，而容器和材料无需迁移，是以显赫平安了材料流动的影响。 因此，该系统可兼容多种粘度的材料，从与水粘度接近的稀溶液到接近固态的高粘度树脂等，再到包括多种生物水凝胶和弹性体在内的光固化材料，以适合流控系统或其他应用场景。
马卓见指出，“此前传统体积打印为惩办大地重力带来的材料流动问题，科研东谈主员致使尝试在天际微重力环境下开展打印计划。咱们时间的特异化上风之一在于，基于超短曝光时候的上风，让光固化化学反应先于材料重力流动完成。” 或创造微精密打印更多可能 同期空闲了速率、精度和材料适合性这三个恒久彼此制约的身分，就像解锁了体积 3D 打印的应用鸿沟，这让更多应用成为了可能。 在现存时间中，工业开模具符合无数目制造，但其只可同批制造交流结构；双光子不错作念得很精、很小，但速率方面具有局限性。与现存时间不同的是，这项时间为计划限制或工业测试中，快速、衔接、定制化打印各式轻飘精密的结构提供了一种新方法。
该时间可用生物相容性材料打印生物履行载体，例如模拟血管的螺旋管、分叉管，不错在培养皿、生物组织上原位打印；还有望在袖珍载体中精确编排多种药物及浓度梯度，一次性制备数千个浓度衔接变化的细胞培养载体，从而达成快速、高通量的药物筛选。 {jz:field.toptypename/}在工程制造限制，该时间有望通过活水线形式批量坐褥光子计较器件、手机相机模组等袖珍组件、带有敏锐角度和复杂曲面的零件等。 王旭康指出，“咱们的有经营不错让待打印材料平直流到管谈内，然后算出需要投影的图案，从而立即针对认识形式进行快速、批量地进行定制化打印结构。” 该时间通过流体管谈加工，有望制造传统打印中难以达成的多层悬空嵌套等，并有可能进一步将应用场景拓展至柔性电子、袖珍机器东谈主、高辩认率组织模子等限制。  在后续的计划中，计划团队但愿通过性能方面握续进步和方法优化，让该方法尽早在本色场景中应用。他们策画改进投影想路，通过投出多束光致使不同神采的光束，来达成对复杂材料的精确限制。此外，针对多材料打印或平直在已有结构上作念修饰依赖及时三维监控时间，目下计划东谈主员正在对及时监视系统握续优化中。 总体而言，亚秒级体积 3D 打印的风趣风趣并不仅体当今速率和辩认率。它意味着，3D 制造正在从依赖高精度机械扫描的过程，转向由光场平直界说结构的形式。 参考尊府： 1.https://www.nature.com/articles/s41586-026-10114-5 2.https://doi.org/10.1126/science.aau7114 运营/排版：何晨龙 |
动图 | 一秒以内完成的三维打印（开首：Nature）
（开首：Nature）
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