科技日报记者 华凌
3D打印早已融入制造、医疗、科研等诸多领域，却长期受制于“快与精难以兼得”的技术瓶颈。近日，清华大学戴琼海院士团队历时5年攻关，在国际期刊《自然》在线发表计算全息光场（DISH）三维打印技术成果，将毫米尺寸复杂结构曝光打印时间压缩至0.6秒，创下体积3D打印领域的全球新纪录，让增材制造正式迈入“亚秒级高精度”时代。
传统3D打印为何难以兼顾速度与精度；此成果以怎样的技术创新突破这一瓶颈；新技术未来可应用于哪些产业领域，以及为实现大规模应用尚需在哪些方面取得突破？带着行业最关注的核心问题，科技日报记者对话团队核心成员，以科普视角还原这场颠覆传统的技术革命。
为何3D打印始终“快不精、精不快”
“做增材制造的人都绕不开这个矛盾：想快就糙，想精就慢，长期以来都难有两全方案。”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，其底层逻辑决定了速度与精度的天然对立。材料固化需要固定时长，同一时刻可固化区域决定打印速度，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，速度必然下降。
据介绍，主流光固化技术分为逐点、逐层、体积打印三类，效率依次提升却均陷困局。逐点打印如激光立体光刻（SLA），靠激光逐点描图，精度可达微米级，但打印一枚微小零件动辄数十分钟；逐层打印如数字光处理（DLP），一次投影一整层，速度提升却仍受层厚与分辨率限制，精度提上去速度就掉下来。
“被寄予厚望的体积打印在速度上具备天然优势，是因为一次照亮了整个三维体进行光固化反应。然而，其虽理论上可全三维同步固化，却被两大难题卡死。”吴嘉敏进一步解释，衍射效应让高精度光束仅能在极小范围聚焦，如同长焦镜头只有焦点清晰，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，直接破坏成型精度。
由此，一旦能够在光固化化学反应完成前就形成整个三维光强分布的投影，那么，就有可能实现目前最快的三维打印速度，而这对光学投影系统的速度、精度、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。
三大原创创新，让速度与精度双向奔赴
“DISH是一种体积打印方法，但可以解决传统体积打印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。
面对行业顽疾，科研人员没有停留在老路上修补，而是从光学和算法底层重新定义3D打印。
王旭康介绍，DISH技术以三项颠覆性创新，彻底打破了速度与精度的核心矛盾。针对衍射效应导致的景深不足、精度衰减，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的冲突；针对超大体素量模型，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，再融入折射像差、运动模糊等实际因素精细校准，将景深从传统50微米拓展至1厘米，实现全景深范围内均匀高精度。
硬件设计上，团队做出颠覆式改变：打印容器与材料全程静止，光束通过高速旋转潜望镜从单一光学平面进入，彻底分离投影系统与打印容器。“这一设计消除了机械振动与材料流动干扰，曝光时间仅由激光器功率决定。”王旭康表示，目前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。
为保障高速下的精度，科研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，让技术在0.6秒超高速下，仍保持12微米超高精度，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，产业化仍待四大突破
“DISH技术不是简单提升速度，而是打开了全新应用场景。”谈及产业化前景，中国工程院院士、清华大学信息科学技术学院院长戴琼海充满信心。
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。可利用生物相容性材料实现血管、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，适配航空航天复杂精密零件加工，解决传统微制造效率低、定制化难的痛点。无需专用容器、可在流体管道打印的特性，更让“定制化+批量化”柔性制造成为可能，契合制造业数字化、智能化趋势。
从实验室到大规模应用，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；全息优化算法处理复杂模型耗时较长，未来需引入神经网络、GPU加速提升效率；激光散斑带来的表面伪影，需通过光路优化、多全息图技术、后处理工艺消除；流体管道连续打印场景，亟须构建精准送料、固化监测、产物定位的全流程流体控制系统。
总体来看，该技术在应用场景、成本优势与产业化前景上具备突出优势，但仍需在打印尺寸、算法效率、表面质量、流体控制等方面持续攻关，才能真正实现从实验室技术向规模化工业应用的跨越。
“现在，我们正朝着工业化方向持续迭代，让这项中国原创技术早日走进工厂、医院，赋能千行百业。”戴琼海充满信心地表示。
（受访者供图）
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