3D打印突破：亚秒级高精度，速度精度我全都要

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3D打印突破“快慢魔咒”：0.6秒造出高精度零件

颠覆性技术如何改变制造与医疗

你是否曾思索过，3D打印出一个精细的零件，居然比眨眼的速度还要快？速度跟精度这两个向来针锋相对的存在，最终达成了和解并携手，一场和制造业未来紧密相关的革命，在清华的实验室里静悄悄地被引发了。

困局里的快与精

速度一旦快起来，精度那边就会变得模糊；精度要是提高了，那就得慢慢地等着了。”吴嘉敏目不转睛地盯着眼前摆放着的设备，语气之中流露着无奈之情。清华大学的一间实验室里面，传统光固化3D打印机正在发出嗡嗡的响声，激光逐个逐个点地扫描着一个体积微小的零件，时间已经过去了半小时，然而进度条却仅仅只前进了一半。这种逐个点进行打印的技术，精度能够达到微米级别的程度，可是打印一个如同指甲盖那般大小的零件，动不动就要消耗数十分钟的时间。

隔壁房间的数字光处理装置稍微快一点，一次投影能固化一整个层面，可是精度一旦提升，速度同样会降下来。吴嘉敏进行解释表明，单位时间之内能够固化的区域大小决定速度，而精度是由体素尺寸所决定的——像素越小，精度就越高，但是可加工的体积就越小，速度自然而然也就下降了。这就如同使用细毛笔去书写，字迹清晰然而却耗费时间；使用刷子涂抹墙壁，效率高但却没办法勾勒出细节一样。

被寄予厚望却陷入僵局

有一项被行业寄予了深切厚望的体积打印，从理论来看有着天然的速度方面的优势，那优势在于能够一次性照亮整个三维体从而进行光固化反应。可是呢，团队当中的成员王旭康对着设备上透镜指了一下，然后说道：“衍射效应致使高精度光束仅可以在小范围之中聚焦着，这就跟长焦镜头一模一样，且只有在焦点的地方才是清晰的，一旦物体稍微大一些，精度就会骤然急剧衰减。”。

体积打印按传统方式为了扩大范围，迫使得去旋转样本。高速运转所带来的振动以及材料流动，会径直破坏成型精度。“焦面附近清晰、离焦区域模糊”变成了行业的常态。高精度与大尺寸、高速度一直没办法共存。在三年时间里，团队测试过数十种方案，打印机更换了五茬，始终处于快与精之间来回地妥协。

三条颠覆性创新之路

戴琼海院士拍板称：“既然传统路径走不通，那就从光学和算法底层重新定义。”团队首创计算全息光场调控技术，该技术用相干全息光场拓展所有投影角度光束的景深，并且将衍射编码与多角度旋转同步结合，但从根源上解决了尺寸与精度之间的矛盾。

他们在硬件设计方面，做出了具有颠覆性质的改变，打印容器以及材料在整个过程当中一直处于静止状态，可以这样理解哈，光束借助高速旋转着的潜望镜，从单一的光学平面进行入射，投影系统和打印容器是完全相互分离的。王旭康介绍说，这一设计把机械振动以及材料流动所产生的干扰给消除掉了，而曝光的具体时间仅仅是由激光器的功率来决定的。目前所取得的0.6秒的成绩，远远不是极限，在未来要是搭配更高的功率进行光源使用的话，速度还能够再提高。

高速下的精度保障

为保证高速打印情形下的精度，团队开展了数字自适应光学矫正技术的研发工作。在进行打印以前，于容器内部放置荧光材料，借助正面以及侧面双相机对容器内的三维光强分布实施实时监控。依据监控所得到的数据，经由反馈机制对所有投影角度的光束参数进行动态调节，从而精确获取全息优化算法所需要的参数。

此项技术有效地对因器件加工以及装配所产生的误差予以了弥补，从而保证了在高速投影进程期间光强分布的精确性。最终，在0.6秒这样的超高速情形下，DISH技术依旧能够维持12微米这般的超高精度，这一精度等同于头发丝直径的五分之一。吴嘉敏望着显微镜之下的成品，终于浮现出笑容并且说道：“高速与精度，这次真的双在线了。”。

打开全新的应用场景

在生物医学范畴之内，戴琼海察觉到了无数的可能性，通过借助具备生物相容性的材料，血管以及组织模型能够达成高精度且快速的打印方式，甚至还能够在生物组织之上进行原位打印，如此一来，这便大幅度地削减了组织工程模型的制备成本以及所需时间，有希望去推动再生医学、器官移植研究得以落地生根，与此同时，高通量药物筛选的效率将会得到极大程度的提升，进而缩短新药研发的周期。

高端制造领域同样出现了变革，超高速且批量连续的打印能力能够融入工业流水线，达成光子计算器件的高效量产，完成手机相机模组的高效量产，实现微纳传感器的高效量产，航空航天领域复杂精密零件加工的痛点，有希望被破解，不需要专用容器，能够在流体管道中进行打印的特性，使得“定制化 + 批量化”的柔性制造成为了现实。

迈向工业化的最后冲刺

从实验室迈向大规模应用，依旧存在四道坎需要跨越。戴琼海直言，当下打印尺寸被限定于厘米级，要借助优化光学系统、研发新型材料，来处理光束在材料里的衰减问题。全息优化算法在处理复杂模型之际耗时比较长，未来要引入神经网络、GPU加速去提升效率。

表面伪影由激光散斑所带来，要借助光路优化、多全息图技术和后处理工艺来予以消除。在流体管道连续打印场景当中，更加迫切地急需构建一个全流程流体控制系统，该系统要将精准送料、固化监测以及产物定位整合于一体。戴琼海讲这话的时候，实验室的灯光恰好映照在崭新的设备之上，其表示：“当下，我们正朝着工业化方向不断持续迭代，力求使这项中国原创技术能够早日进入工厂、医院，为众多行业赋予能量。”。

当打印一个精密零件比冲一杯咖啡还快，你想用它来创造什么？