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》。

      传统3D打印为何难以兼顾速度与精度？新技术如何突破这一瓶颈，未来可为产业应用带来哪些变革？带着这些问题，科技日报记者对话团队核心成员，还原这场颠覆传统的技术革命。

      3D打印为何“快不精、精不快”

       “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、体积打印三类，效率依次提升，但各自面临不同困局。逐点打印如激光立体光刻（SLA），依靠激光逐点扫描，精度可达微米级，但打印一枚微小零件往往耗费数十分钟；逐层打印如数字光处理（DLP），一次投影固化一整层，速度有所提升，却仍受层厚与分辨率的制约，精度一旦提高，速度就会下降。

       “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。

      体积打印新方法破解两难矛盾

       “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技术通过三项颠覆性创新，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，目前团队取得的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。

      为确保高速打印下的精度，团队研发了数字自适应光学矫正技术，打印前，在容器内放置荧光材料，通过正面与侧面双相机实时监控容器内的三维光强分布，基于监控数据，通过反馈机制动态调节所有投影角度的光束参数，精准获取全息优化算法所需的投影参数，有效弥补器件加工、装配带来的误差，确保高速投影过程中光强分布的精准性。该技术使打印在0.6秒的超高速下，仍能保持12微米的超高精度——相当于头发丝直径的五分之一，真正实现“高速与精度双在线”。

      赋能千行百业仍需突破瓶颈

       “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。

      戴琼海表示，在生物医学领域，此项技术有望加速精准医疗与生命科学研究的进程。借助生物相容性材料，可实现血管、组织模型的高精度快速打印，甚至在生物组织上原位打印，大幅降低组织工程模型的制备成本与时间，推动再生医学、器官移植研究的落地。同时，该技术可提升高通量药物筛选的效率，缩短新药研发周期，让精准医疗、个性化生物器件制造成为可能，惠及民生健康。

      在高端制造领域，这一技术有望推动产业升级与效率革命。超高速、批量连续的打印能力可融入工业流水线，实现光子计算器件、手机相机模组、微纳传感器高效量产，适配航空航天领域复杂精密零件的加工，破解传统微制造效率低、定制化难的痛点。该技术无需专用容器、可在流体管道中打印的特性，更让“定制化+批量化”的柔性制造成为可能，契合制造业数字化、智能化的趋势。

      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。