3D 打印从驱动到完成需要多久？
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。
目下一切发生了神奇的变化：科学家们发明了一种新期间，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。何况，通盘这个词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开放。
动图 | 一秒以内完成的三维打印（起原：Nature）
那么，它是若何作念到的？
这项筹议来自清华大学戴琼海院士、吴嘉敏副陶冶和方璐陶冶团队，他们修复了一种全息光场数字合成的体积 3D 打印期间——数字非辩论全息光局面成（DISH，digital incoherent synthesis of holographic light fields）。
值得关心的是，该筹议是体积 3D 打印范围初次毫米（mm）结构递次上，同期已毕了亚秒级速率和十微米级分辩率。
以生成体积约 200 mm³ 的样品为例，据测算，DISH 期间的 3D 打印曝光时候仅 0.6 秒（s），体积打印速率为 333 mm³/s，稀奇于每秒生成上亿（1.25×10⁸）个体素（注：体素指的是三维空间中的体积像素）。何况，在 1 厘米范围内保握 11 微米的投影分辩率和 19 微米的打印分辩率。
这项期间为高速、个性化地 3D 打印眇小精密的结构提供了一种全新有筹办，例如东说念主造血管、袖珍光学镜片、定制化药物筛选模子等。审稿东说念主以为该筹议是体积增材制造范围的一项进攻推崇，并称其是“迄今为止报说念的最快体积 3D 打印时候”。
辩论论文以《基于全息光局面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期间本质室的戴琼海院士、吴嘉敏副陶冶和电子系方璐陶冶担任共同通信作家，博士后王旭康、博士后马高见和博士生牛一涵是共团结作。
从“看见”三维到“造出”三维：把成像历程透顶反过来
清华大学成像与智能期间本质室永恒深耕于规划光学范围，十余年来在显微成像、天文成像、光规划等多个看法获得了隆起服从与平方应用。
显微成像光路的基本操作历程是：从生物样本拍到多角度投影图，再通过光场三维重建算法，终末得到规划机上的三维模子。而这项筹议发源于筹议东说念主员的反向念念维：要是将光路操作的旧例历程反过来操作会若何？
也即是说，先有三维模子，然后通过算法将其飘摇成多视角投影，终末在容器中投影出高维光场，创造三维实体。
“咱们其时初步征询出这个想法的时候相称喜跃，要是能通过材料或其他化学反应反馈三维光散布，那就很有可能欺骗光场构建物体。”王旭康对 DeepTech 暗示。
“一闪即印”的要道：径直三维光场投影
3D 打印范围存在着一个自然的矛盾，要是精度高，速率时常相对较慢，例如双光子微纳加工；要是追求速率，打印出来的物品常常很粗拙，比如建筑类 3D 打印。
这是因为传统 3D 打印方法罗致的是逐点或逐层神志，其轮番投影出来的是一个点（零维）或一个面（二维），然后再协作机械迁徙完成三维打印。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 发表的范围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开放的圆柱模样器，金沙电玩已毕了雷同 CT 的投影款式（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。
而清华的这项筹议最大的革命在于，筹议团队想象了高速旋转的潜望镜系统，径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，还幸免了因容器开放激勉的机械振动以及材料流动问题。
“咱们残暴了一种全新的、径直三维投影的神志，稀奇于跳过了通盘材料辩论的机械扫描设施，通盘这个词容器是静止不动的。”马高见告诉 DeepTech。
在精度优化方面，为轻佻“高分辩率难以大景深”的物理章程，筹议团队基于在规划光学方面多年的期间蕴蓄，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改变，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期间，为快速打印上亿级体素奠定了进攻基础。
筹议东说念主员搭建的高速旋转的潜望镜系统专为高速打印想象，能以 10 转/秒的速率，投射由数字微镜器件（DMD，Digital Micromirror Device）调制的高分辩率图案光束。
DMD 能以最先 17，000 赫兹的频率快速切换图案，mg游戏在 0.06 秒内投影 1，000 帧，相称稳妥高速打印场景。然而，DMD 只可原生投射出二值图案（注：仅含亮和暗两种像素景象，无灰度渐变），对算法残暴了更高的要求。
王旭康例如说说念：“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阑珊辩论性，咱们不可将灰度图像径直用 DMD 投影出来。探究到 DMD 这一硬件方面的不及，咱们想象了一套优化算法大要拟合灰度的光强散布，通过管制二值全息问题已毕了相春联想的投影效果。”
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。何况，在通盘这个词 1 厘米范围内，光学分辩率巩固保握在平均 11 微米的水平，打印家具最细颓唐特征达 12 微米。
除此除外，传统的体积三维打印期间常常需要相称富贵的材料，原因在于：一方面可扼制打印过程中的样本下千里，另一方面大要退缩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 期间超短曝光时候带来的显耀变化是，在曝光固化期间，唯有光束在高速迁徙，而容器和材料无需迁徙，是以显耀松开了材料流动的影响。
{jz:field.toptypename/}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。
（起原：Nature）
马高见指出，“此前传统体积打印为管制大地重力带来的材料流动问题，科研东说念主员以至尝试在天外微重力环境下开展打印筹议。咱们期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
同期知足了速率、精度和材料适合性这三个永恒彼此制约的要素，就像解锁了体积 3D 打印的应用领域，这让更多应用成为了可能。
在现存期间中，工业开模具稳妥大量量制造，但其只可同批制造不异结构；双光子不错作念得很精、很小，但速率方面具有局限性。与现存期间不同的是，这项期间为筹议范围或工业测试中，快速、相接、定制化打印多样眇小精密的结构提供了一种新方法。
（起原：Nature）
该期间可用生物相容性材料打印生物本质载体，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相接变化的细胞培养载体，从辛勤毕快速、高通量的药物筛选。
在工程制造范围，该期间有望通过活水线神志批量坐褥光子规划器件、手机相机模组等袖珍组件、带有明锐角度和复杂曲面的零件等。
王旭康指出，“咱们的有筹办不错让待打印材料径直流到管说念内，然后算出需要投影的图案，从而立即针对方针步地进行快速、批量地进行定制化打印结构。”
该期间通过流体管说念加工，有望制造传统打印中难以已毕的多层悬空嵌套等，并有可能进一步将应用场景拓展至柔性电子、袖珍机器东说念主、高分辩率组织模子等范围。
在后续的筹议中，筹议团队但愿通过性能方面握续普及和方法优化，让该方法尽早在本色场景中应用。他们规划改进投影念念路，通过投出多束光以至不同颜料的光束，来已毕对复杂材料的精确章程。此外，针对多材料打印或径直在已有结构上作念修饰依赖及时三维监控期间，目下筹议东说念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 打印的真谛并不仅体目下速率和分辩率。它意味着，3D 制造正在从依赖高精度机械扫描的过程，转向由光场径直界说结构的神志。
参考府上：
1.https://www.nature.com/articles/s41586-026-10114-5
2.https://doi.org/10.1126/science.aau7114
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