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光明日报北京2月12日电（记者 邓晖）作为科学研究和工业生产的重要工具，三维打印技术高效率、高精度的性能突破，关系到生物医学、微纳科技等多个前沿领域的发展，但现有的三维打印方法均存在较为突出的“速度和精度”的矛盾。清华大学戴琼海院士团队历经5年攻关，研发出“计算全息光场”三维打印技术（以下简称“DISH技术”）。该技术不仅将传统体积三维打印曝光速度提升数十倍，创下“毫米尺寸复杂结构曝光时间0.6秒”的新纪录，还可大幅提高体积三维打印的精度，有望为相关领域技术升级提供新的解决方案。相关研究成果12日在线发表于国际学术期刊《自然》。
研究团队介绍，传统逐点、逐层三维打印技术虽能保障精度，但打印效率较低，毫米级物体往往需要数十分钟甚至数小时才能完成加工，难以适配实际科研与生产的需求。现有的体积打印技术，如计算轴向光刻（CAL），采用一体成型的打印方式提升了速度，却受限于容器需旋转和景深不足等因素，样本在景深外的打印精度显著下降，且只能使用高黏度材料防止样品下沉，适用范围受到较大限制。
研究中，团队发现计算光学不仅可用于“捕捉光场信息”（如成像观测），还能反向应用于“利用光场构建物体”（如三维打印）。基于这一发现，团队将计算光学技术拓展到增材制造领域，通过成像光路的逆过程设计系统，实现了从信息获取到实体制造的技术跨越，研发出DISH技术。
据悉，DISH技术突破了逐点、逐层扫描的速度瓶颈，能快速精准投影复杂三维的光强分布。实验表明，该技术生成毫米尺寸复杂结构的曝光时间仅需0.6秒，创下曝光时间新纪录，远超传统体积三维打印技术曝光的30秒水平。
此外，在传统体积三维打印技术中，样本下沉引起材料流动，会严重影响成型质量，只能选用高黏度材料。而DISH技术曝光时间极短，大幅削弱材料流动的影响，从近水黏度的稀溶液到高黏度树脂，各类材料都能兼容。
“DISH技术的打印容器只需具备一个光学平面即可，无须特殊设计；打印时容器保持静止，无须高精度的机械运动，大幅拓展了打印场景，尤其能直接在普通的流体管道内放置打印材料，实现流体环境中的批量、连续打印，这是传统体积三维打印技术无法完成的。”研究团队介绍。
此外，传统体积三维打印技术受限于景深不足，普遍存在“焦面附近精度高、离焦区域精度衰减”的问题，DISH技术通过自适应光学校准、像差矫正算法与全息算法的深度融合，从根本上解决了这一难题——像素级校准系统可精准补偿光场传播中的像差与偏移，自主研发的像差校正和三维全息算法则将同参数条件的景深从传统的50微米拓展至1厘米。经实验验证，系统的光学分辨率在1厘米范围内始终保持11微米，打印产物最细独立特征可达12微米。
团队介绍，作为多学科交叉研究成果，DISH技术将在生物学领域用生物相容性材料打印模拟血管的螺旋管、分叉管，甚至在培养皿、生物组织上“原位打印”，为组织工程、高通量药物筛选打开新通道；在工程制造领域，它有望融入流水线，批量生产光子计算器件、手机相机模组等微型组件，打印带有尖锐角度、复杂曲面的零件等。它还有望在容器内堆叠不同功能的材料，实现“多材料打印”，从而拓展到柔性电子、微型机器人、高分辨率组织模型等场景。
来源：光明网-《光明日报》
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