如今，3D打印技术已融入制造、医疗、科研等诸多领域，然而，“快与精难以兼得”的技术瓶颈制约了其进一步发展。为破解这一瓶颈，中国工程院院士、清华大学信息科学技术学院院长戴琼海团队历时5年攻关，研发出计算全息光场（DISH）三维打印技术，将毫米尺寸复杂结构曝光打印时间压缩至0.6秒，让增材制造正式迈入“亚秒级高精度”时代。相关研究成果近日在线发表于国际期刊《自然》。

速度与精度始终无法共存

“做增材制造的人，几乎都绕不开这个矛盾：想快就糙，想精就慢，长期以来难有两全方案。”论文共同通讯作者、清华大学副教授吴嘉敏直言。

吴嘉敏介绍，目前光固化是高效3D打印的主流技术路线之一，但其底层逻辑决定了速度与精度存在天然对立。材料固化需要固定时长，单位时间内可固化的区域大小决定了打印速度，而精度依赖三维像素（体素）尺寸——像素越小、精度越高，单位时间可加工体积就越小，速度自然下降。

据介绍，主流光固化技术分为逐点、逐层、体积打印3类，效率依次提升，但各自面临不同困局。

“被寄予厚望的体积打印在速度方面具备天然优势，因为它一次性照亮整个三维体进行光固化反应。然而，其仍存在两大问题。”吴嘉敏进一步解释，衍射效应使高精度光束仅能在极小范围内聚焦，类似长焦镜头只有焦点处清晰，物体稍大精度就急剧衰减；传统体积打印必须旋转样本，高速运转带来的振动、材料流动，会直接破坏成型精度。

因此，如果能够在光固化化学反应完成前，就形成完整的三维光强分布投影，就有可能实现目前最快的三维打印速度。而这对于光学投影系统的速度、精度和稳定性都提出了极高要求，传统技术难以同时满足。所谓“焦面附近清晰、离焦区域模糊”成为行业常态，高精度与大尺寸、高速度始终无法共存。这也成为3D打印向高端领域进阶的核心瓶颈。

重新定义3D打印

“DISH是一种体积打印方法，可以解决传统体积打印中速度与精度之间的矛盾。”论文第一作者、清华大学自动化系博士后王旭康说。

面对技术瓶颈，团队成员从光学和算法底层出发，重新定义3D打印。

王旭康介绍，DISH技术通过3项颠覆性创新，彻底破解了速度与精度之间的核心矛盾。针对衍射效应导致的景深不足、精度衰减问题，团队首创计算全息光场调控技术，通过相干全息光场拓展所有投影角度光束的景深，将衍射编码与多角度旋转同步结合，从根源上解决了尺寸与精度之间的矛盾；面对超大体素量模型，团队对1800个投影角度图案进行三维全息优化，采用“从粗到细”策略——先快速搭建光强框架，再逐步融入折射像差、运动模糊等实际因素进行精细校准，将景深从传统的50微米拓展至1厘米，实现了在全景深范围内保持均匀高精度。

在硬件设计方面，团队做出了颠覆式改变：打印容器与材料全程保持静止，光束通过高速旋转的潜望镜从单一光学平面入射，使得投影系统与打印容器完全分离。“这一设计消除了机械振动与材料流动的干扰，曝光时间仅由激光器功率决定。”王旭康介绍，目前团队取得0.6秒的成绩并非极限，未来搭配更高功率光源，速度还将进一步提升。

打开全新应用场景

“DISH技术不是简单提升速度，而是打开了3D打印全新的应用场景。”谈及产业化前景，戴琼海充满信心。

虽然前景光明，但从实验室走向大规模应用，DISH技术仍需突破四大瓶颈。戴琼海坦言，目前打印尺寸局限于厘米级，需通过优化光学系统、研发新型材料，解决光束在材料中的衰减问题；全息优化算法在处理复杂模型时耗时较长，未来需引入神经网络、GPU加速以提升效率；激光散斑带来的表面伪影，需通过光路优化、多全息图技术、后处理工艺加以消除；流体管道连续打印场景，亟须构建集精准送料、固化监测、产物定位于一体的全流程流体控制系统。

“现在，我们正朝着工业化方向持续迭代，争取让这项中国原创技术早日走进工厂、医院，赋能千行百业。”戴琼海说。

据《科技日报》