綜述：體積3D打印材料和技術(shù)的未來之路

來源：增材未來 AM Future

荷蘭烏得勒支大學(xué)Riccardo Levato教授在《Nature Reviews Materials》期刊發(fā)表綜述“The road ahead in materials and technologies for volumetric 3D printing”體積3D打印技術(shù)是一種新興的制造技術(shù)，能夠在幾秒鐘內(nèi)快速制造出厘米級尺寸的物體。與傳統(tǒng)的逐層制造方法相比，體積3D打印技術(shù)通過在材料容器內(nèi)直接響應(yīng)光學(xué)和聲學(xué)場，以無層的方式制造物體和功能部件。

本文綜述了體積3D打印技術(shù)的最新進(jìn)展，包括基于光學(xué)斷層掃描、光和聲全息圖、xolography等技術(shù)的發(fā)展，以及與之配套的材料設(shè)計(jì)、硬件和計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步。文章還探討了體積3D打印在光學(xué)元件、軟體機(jī)器人、生物打印等領(lǐng)域的應(yīng)用前景，并對未來的技術(shù)發(fā)展方向和挑戰(zhàn)進(jìn)行了展望。



一、引言

傳統(tǒng)3D打印技術(shù)依賴逐層堆積材料形成三維結(jié)構(gòu)，雖然具有高度的靈活性，但存在生產(chǎn)速度慢、材料選擇受限以及難以制造復(fù)雜設(shè)計(jì)等問題。體積3D打?。╒AM）作為一種新興的制造范式，通過在材料體積內(nèi)直接響應(yīng)光學(xué)和聲學(xué)場，能夠以無層的方式快速制造物體，極大地提高了生產(chǎn)速度，同時保持了高分辨率和設(shè)計(jì)自由度。這種技術(shù)能夠在幾秒鐘內(nèi)制造出厘米級尺寸的物體，克服了傳統(tǒng)逐層制造的諸多限制，為復(fù)雜多材料架構(gòu)的制造開辟了新的途徑，并在光學(xué)系統(tǒng)、軟體機(jī)器人、生物組織工程等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

二、基于場的體積制造技術(shù)的最新進(jìn)展

1、多光束疊加和層析體積打印

多光束疊加和層析體積打印是體積3D打印技術(shù)的兩種重要方法。多光束疊加技術(shù)通過將多束光線投影到光敏材料的容器中，利用光束交疊區(qū)域的高光劑量觸發(fā)聚合反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)3D結(jié)構(gòu)的快速制造。然而，這種方法在解析復(fù)雜幾何形狀方面能力有限。層析體積打印則借鑒了醫(yī)學(xué)成像中的計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)，通過從多個角度向旋轉(zhuǎn)的圓柱形容器中投影預(yù)計(jì)算的2D光模式，重建目標(biāo)3D光劑量分布，從而在數(shù)十秒內(nèi)制造出幾乎不受限制的厘米級復(fù)雜幾何形狀（圖1a,b）。

2、光片基打印

光片基打印是一種體積3D打印技術(shù)，利用光片與正交光束的交疊來實(shí)現(xiàn)材料的光交聯(lián)反應(yīng)，從而在樹脂體積內(nèi)逐層打印薄層結(jié)構(gòu)。其核心原理是通過移動光片掃描整個樹脂體積，并結(jié)合正交投影光束在兩者交疊區(qū)域觸發(fā)聚合反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)高精度打印。該技術(shù)的優(yōu)勢在于能夠利用快速熱可逆光開關(guān)引發(fā)劑，防止非平面交聯(lián)，從而提高劑量對比度，實(shí)現(xiàn)厘米級物體的快速制造，特征尺寸可達(dá)微米級別。此外，光片基打印還具有擴(kuò)展性，可通過引入更常見的光引發(fā)劑來擴(kuò)大用戶群體，并通過雙色光引發(fā)劑實(shí)現(xiàn)多材料打印和后修飾（圖1c）。

3、聲場基體積打印

聲場基體積打?。ˋcoustic field-based volumetric printing）是一種利用聲波能量在材料體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)打印的技術(shù)。與基于光學(xué)的體積打印方法相比，聲場基體積打印利用聲波的穿透能力和對材料的操縱能力，通過精確控制聲場分布來實(shí)現(xiàn)材料的固化和成型。這種方法特別適用于那些對光不透明或含有不透明成分的材料，能夠克服光在這些材料中傳播時的散射和衰減問題。聲場基體積打印技術(shù)包括單點(diǎn)直接聲打?。―irect Sound Printing, DSP）和深穿透聲體積打印（Deep-Penetrating Acoustic Volumetric Printing, DAVP）等多種形式，其中DSP利用聚焦超聲在特定位置引發(fā)聚合反應(yīng)，而DAVP則通過聲波的深度穿透能力實(shí)現(xiàn)更大體積的打印。此外，全息聲打?。℉olographic Direct Sound Printing）通過使用全息相位板來塑造超聲波前，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)打印（圖1d,e）。



圖1 基于光的體積3D打印技術(shù)和基于聲的體積3D打印技術(shù)


圖2 體積3D打印技術(shù)的主要里程碑和未來發(fā)展方向的時間線

三、體積打印材料設(shè)計(jì)

體積打印的增長和影響與新材料配方的發(fā)展以及對高分辨率、高效率印刷所需材料特性的深入了解密切相關(guān)。其使用的樹脂或生物樹脂包含引發(fā)劑、反應(yīng)性材料和添加劑三大類（圖4）。引發(fā)劑將光學(xué)或聲學(xué)刺激轉(zhuǎn)化為反應(yīng)性物種，觸發(fā)聚合反應(yīng)；反應(yīng)性材料通過化學(xué)反應(yīng)形成交聯(lián)聚合物網(wǎng)絡(luò)；添加劑則用于改善打印的形狀保真度和分辨率，例如調(diào)節(jié)流變學(xué)特性、匹配折射率和增強(qiáng)對比度。與傳統(tǒng)分層技術(shù)不同，體積3D打印需要特殊的樹脂成分，這為創(chuàng)新材料和新功能的整合提供了廣闊的可能性。

1、引發(fā)劑和反應(yīng)物質(zhì)

在體積3D打印中，引發(fā)劑是關(guān)鍵組分，負(fù)責(zé)將光學(xué)或聲學(xué)刺激轉(zhuǎn)化為化學(xué)反應(yīng)的活性物種，從而觸發(fā)時空可控的聚合反應(yīng)。光引發(fā)劑（如磷酰胺氧化物）通過吸收光能產(chǎn)生活性自由基，而聲引發(fā)劑則利用超聲波的熱效應(yīng)或空化作用觸發(fā)聚合反應(yīng)。反應(yīng)性材料（如丙烯酸酯、硫醇-烯等）在這些活性物種的作用下發(fā)生聚合或交聯(lián)，形成三維結(jié)構(gòu)。引發(fā)劑和反應(yīng)性材料的組合需要根據(jù)打印技術(shù)（如斷層掃描或雙色光聚合）和材料特性（如透明度、生物相容性）進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)高分辨率和高效率的體積打印。

2、光基印刷和聲學(xué)印刷的前驅(qū)體

在體積3D打印中，用于光基和聲基打印的前體材料包括多種單體和聚合物，這些材料通過自由基鏈增長聚合或逐步增長聚合形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。常用的光基打印材料有丙烯酸酯和丙烯酰胺等自由基聚合單體，它們具有快速反應(yīng)和低成本的優(yōu)點(diǎn)，但也存在氧氣敏感性、不均勻交聯(lián)和較大體積收縮等問題。相比之下，基于硫醇-烯點(diǎn)擊化學(xué)的逐步聚合反應(yīng)具有更高的氧氣耐受性和更快的反應(yīng)速率，同時形成更均勻的聚合物網(wǎng)絡(luò)，減少收縮，提高透明度和機(jī)械性能。此外，通過結(jié)合不同反應(yīng)機(jī)制的混合單體/寡聚物，如丙烯酸酯-環(huán)氧樹脂體系，可以在打印過程中實(shí)現(xiàn)形狀定義和后續(xù)熱固化，形成具有優(yōu)異機(jī)械性能的互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)。聲基打印則利用超聲波觸發(fā)的熱聚合或自由基聚合，通過水空化產(chǎn)生的活性氧或熱引發(fā)劑的激活來實(shí)現(xiàn)材料的交聯(lián)。



圖3 體積打印用樹脂的關(guān)鍵組分

四、新興應(yīng)用

1、原型陶瓷，玻璃和光學(xué)元件

在體積3D打印技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域中，陶瓷、玻璃和光學(xué)元件的原型制造是一個重要的方向。通過利用光聚合有機(jī)網(wǎng)絡(luò)并結(jié)合后續(xù)的燒結(jié)步驟，研究人員已經(jīng)能夠利用體積3D打印技術(shù)制造出具有復(fù)雜幾何形狀的玻璃和陶瓷結(jié)構(gòu)（圖4a）。這種方法不僅能夠?qū)崿F(xiàn)微流體裝置和固體惰性陶瓷部件的制造，還為設(shè)計(jì)具有結(jié)構(gòu)色、多孔性或可調(diào)節(jié)折射率的玻璃材料提供了新的可能性。此外，體積3D打印技術(shù)在制造光學(xué)元件方面也展現(xiàn)出巨大潛力，例如通過灰度打印技術(shù)提高表面平滑度，制造出高質(zhì)量的微透鏡陣列和毫米級光學(xué)元件。盡管目前在打印體積和表面光潔度方面仍面臨挑戰(zhàn)，但體積3D打印技術(shù)為光學(xué)元件的高效、自由曲面制造提供了一種新的途徑，未來有望實(shí)現(xiàn)工業(yè)規(guī)模的自由曲面光學(xué)元件、折射率漸變光學(xué)元件和衍射光學(xué)元件的制造。

2、軟機(jī)器人和可移動部件

在軟體機(jī)器人和可動部件的應(yīng)用方面，體積3D打印技術(shù)憑借其設(shè)計(jì)自由度高和能夠使用多種柔軟、可變形材料的特點(diǎn)，展現(xiàn)出巨大的潛力。這種技術(shù)能夠快速制造出具有復(fù)雜幾何形狀和功能的軟體結(jié)構(gòu)，例如可以制造出能夠在流體中實(shí)現(xiàn)單向流動控制的球閥結(jié)構(gòu)，以及能夠響應(yīng)外部刺激（如光、熱、磁場等）而產(chǎn)生運(yùn)動或變形的軟體執(zhí)行器（圖4b）。此外，體積3D打印還可以與智能材料（如壓電材料、導(dǎo)電材料或熱響應(yīng)材料）相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)4D打印，即制造出能夠隨時間或外部條件變化而改變形狀或功能的動態(tài)結(jié)構(gòu)。

3、生物醫(yī)學(xué)材料

體積打印活體材料是體積3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的重要應(yīng)用方向。它利用體積3D打印的無接觸、高速特性，將生物相容性水凝膠和活細(xì)胞快速打印成具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的組織模型（圖4c）。這種技術(shù)能夠在短時間內(nèi)制造出具有高細(xì)胞密度和組織特異性功能的三維生物組織，例如肝臟類器官、心臟組織模型等，并且可以實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的高存活率和功能成熟。通過優(yōu)化打印材料和工藝，例如使用光引發(fā)劑、調(diào)整樹脂的光學(xué)和流變學(xué)特性，以及結(jié)合算法校正光散射問題，體積打印活體材料能夠制造出更接近天然組織的復(fù)雜生物結(jié)構(gòu)，為疾病建模、藥物測試和再生醫(yī)學(xué)提供了新的可能性。



圖4 體積打印的新興應(yīng)用

五、硬件和計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步

1、高級硬件設(shè)計(jì)

當(dāng)前硬件設(shè)計(jì)面臨的主要挑戰(zhàn)包括克服光吸收限制以擴(kuò)大可打印物體的尺寸，以及開發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)更高吞吐量、減少人工干預(yù)和提高可靠性的系統(tǒng)。例如，層析掃描體積3D打印技術(shù)通過沿螺旋路徑投射光束，使得可打印的高縱橫比結(jié)構(gòu)僅受限于容器的長度，從而突破了傳統(tǒng)圓柱形容器的限制。此外，卷對卷（roll-to-roll）技術(shù)的引入也為體積3D打印帶來了連續(xù)生產(chǎn)的可能性，使得在理論上可以無限制地打印平面幾何結(jié)構(gòu)。同時，結(jié)合光片（light sheet）技術(shù)和連續(xù)材料流動的打印方法，如流動式xolography，通過精確控制光敏樹脂在靜止光片中的層流，實(shí)現(xiàn)了多個對象的同時連續(xù)生產(chǎn)，大幅提高了生產(chǎn)效率。

2、先進(jìn)的算法和軟件工具

在體積3D打?。╒AM）中，先進(jìn)的算法和軟件工具對于提高打印分辨率和精度至關(guān)重要。由于體積3D打印涉及復(fù)雜的物理場（如光或聲）與材料的相互作用，需要開發(fā)能夠精確調(diào)控這些物理場的算法，以實(shí)現(xiàn)對打印材料的精準(zhǔn)模式化。例如，在基于光的體積3D打印中，傳統(tǒng)的Radon變換和濾波反投影算法常用于計(jì)算投影模式，但由于其對理想情況的假設(shè)，容易導(dǎo)致打印缺陷。因此，研究人員正在探索更復(fù)雜的優(yōu)化方法，如目標(biāo)空間優(yōu)化、梯度下降優(yōu)化、波光學(xué)優(yōu)化、最大似然期望最大化和三維光線追蹤等技術(shù)，以提高打印的保真度和準(zhǔn)確性。此外，一些研究還嘗試將光聚合過程的化學(xué)動力學(xué)與算法相結(jié)合，考慮自由基和氧氣擴(kuò)散率等參數(shù)，以進(jìn)一步優(yōu)化打印質(zhì)量和均勻性。算法還被用于解決材料中的散射問題，例如通過成像技術(shù)和傅里葉域的投影修改來減輕散射影響，從而提高打印的對比度和分辨率。

3、監(jiān)控和實(shí)時成像

實(shí)時監(jiān)測對于評估打印進(jìn)度、優(yōu)化打印質(zhì)量和實(shí)現(xiàn)動態(tài)調(diào)整至關(guān)重要，但傳統(tǒng)成像方法在區(qū)分聚合與未聚合區(qū)域時存在對比度不足的問題，尤其是在低聚合含量樹脂或含散射劑（如生物打印中的水凝膠和組織衍生材料）的情況下。為解決這一問題，研究者們開發(fā)了多種高靈敏度成像技術(shù)，如陰影圖成像（shadowgraph imaging）和Schlieren成像，它們能夠通過檢測折射率的微小變化來可視化聚合過程。此外，光學(xué)散射層析成像（optical scattering tomography）和光學(xué)相干層析成像（optical coherence tomography）也被用于3D可視化和定量測量內(nèi)部折射率變化，甚至被集成到反饋控制回路中，以實(shí)現(xiàn)基于重建數(shù)據(jù)的自動打印終止。盡管如此，實(shí)時成像用于打印修改仍然是一個重要的研究目標(biāo)和挑戰(zhàn)，未來的研究可能會進(jìn)一步整合其他成像模態(tài)，如實(shí)時光學(xué)相干層析成像，以提高對散射的魯棒性和靈敏度。

六、展望

未來的技術(shù)進(jìn)步可能包括改進(jìn)光學(xué)投影的編碼方式（如采用相位調(diào)制硬件）和開發(fā)新的聲學(xué)技術(shù)（如可編程聲學(xué)全息圖），以提高打印分辨率和效率。多材料和多技術(shù)制造將通過結(jié)合不同的增材制造技術(shù)來實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的多材料結(jié)構(gòu)，例如將體積打印與嵌入式擠出、熔融電寫等技術(shù)相結(jié)合。新材料設(shè)計(jì)將聚焦于開發(fā)新型（光）引發(fā)劑技術(shù)，探索與現(xiàn)有技術(shù)正交的光化學(xué)反應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)更高效的多材料打印和更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)制造。此外，體積3D打印技術(shù)在太空探索等特殊環(huán)境中的應(yīng)用潛力也被提及。

論文鏈接：DOI：10.1038/s41578-025-00785-3