体积3D打印最新Nature总述-优快云博客

3D打印技术自从诞生以来，就依赖于逐层制造的原理，材料以单个体素、线条或平面的形式沉积，形成类似2D的图案，这些图案依次构建成3D结构。而体积3D打印是近7年来发展出的新型3D打印模式，能够在极短时间内制造出厘米级尺寸的零件，在科研界引起了广泛关注，并涌现出多篇Science、Nature级别的研究。

3D打印技术参考注意到，荷兰乌得勒支大学Riccardo Levato教授在最新一期《Nature Reviews Materials》上，以题为“The road ahead in materials and technologies for volumetric 3D printing”发表了一篇综述，对“体积打印”技术从技术路线、材料设计、应用方向、未来前景等多方面进行了较为系统的论述。

体积3D打印概述

体积3D打印是一种突破了从分层到无层制造的3D打印技术，其依赖还原聚合打印，可在三维空间内一次快速生产整个部件，最高成形效率只需不到10秒即可构建立方体厘米部件，分辨率为数十微米，具有很高的设计自由度，完全颠覆了传统3D打印技术的制造效率。

体积3D打印目前有两种技术路线——利用光或声音作为主要能源。其工作原理依赖于将复杂且不均匀的光或声波辐射到树脂中，实现能量在三维空间内按照需求精确分配，决定材料固化或相变的区域，触发受控化学反应，从而在特定位置精确制造出物体。

a，光束叠加方法利用三个投影光束的交点来制造 3D 结构。

b，基于断层扫描的方法使用断层投影来提供复杂的 3D 光剂量。

c，光片打印将光片在桶中线性移动与在两条光路之间的交点处交联材料的正交投影相结合。

d，两种类型的聚焦超声交联，直接声打印和深穿透声波体积打印。

e，全息直射印法包含一个全息相位板来塑造超声波前，允许任意强度分布。

该研究特地展示了体积3D打印研究的主要里程碑和未来发展的时间预测，时间跨度从2017年到2025年。2017年该技术被首次提出，当时使用多束叠加原理；2019年出现层析打印、体积生物打印以及新的树脂材料；2022年迎来了爆发式的研究进展，出现玻璃和陶瓷的层析打印、多材料打印、直接声音打印、声学墨水、嵌入式挤出体积打印等。

2017年轴向光刻体积打印被首次提出

Xolo的双步光化学实现体积3D打印

直接声音3D打印

作者还对该技术的未来发展做了预测，例如可能实现金属材料打印，与磁场、微波、X射线进行多物理场交叉的复杂结构制造、材料化学感知打印、新型光正交化学、体积生物打印的临床转化以及用于工业应用等等。

体积3D打印的材料设计

体积打印的发展，与新成形材料的开发以及对高分辨率、高效打印所需的材料特性的更深入研究密切相关。体积印刷的起始材料，是树脂或生物树脂，含有不同种类的成分，为集成创新材料和新功能提供可能。树脂的各个组分可分为两大类。第一种是引发剂，通过接收来自光或声音的不同刺激引发聚合反应。第二类是不同种类的活性材料，它的作用是响应打印刺激，形成交联聚合物网络。除了这两大类，其他添加剂可以用来提高形状保真度和分辨率，但它们不直接参与材料交联过程,但可以调节流变、匹配折射率和增强对比度等。

用于体积打印树脂关键成分

体积3D打印新型应用

玻璃及陶瓷领域可通过体积打印进行毫米级流体器件和固体惰性陶瓷器件的制造。，如能制造带结构颜色的玻璃、、多孔玻璃和金属复合材料。这些材料可通过光或声诱导热聚合实现。近期，水凝胶被用作无机颗粒载体，光聚合成型后经煅烧和还原，转化为微型（多）金属零件。目前这种方法仅通过光固化技术进行了实验，但也可以使用体积打印实现。

施华洛世奇使用体积3D打印制造水晶玻璃

光学元件的生产是无层体积3D打印的另一个优势领域。光学器件对表面光滑度具有极高的要求，传统3D打印方法受到分层的影响，无法达到所需的平滑度。，目前，体积3D打印已被用于制造二氧化硅微透镜阵列（烧结后523μm的粗糙度为60nm），实现低于1nm的均方根表面粗糙度。

Xolo体积3D打印的复杂结构

体积打印也可用于软机器人和自由移动结构制造。无层增材制造提供了更高的设计自由度，可以制造柔软、可变形材料。此外,体积打印还可进一步拓展实现4D体积打印，实现功能材料制造，如压电材料、导电、热反应材料等，这将进一步扩大4D打印的研究方向。其中，刺激反应材料可以进一步提高软机器人的驱动和调谐性。

生物医学研究已成为体积打印一个重要领域，他可以开发模拟人体组织结构复杂性的先进体外模型和功能植入体。体积打印方法的非接触式和高速特性使其非常适合处理活细胞结构。2019年，超快速打印工艺（体积生物打印）与生物相容性水凝胶和活细胞的兼容性首次得到证明。3D打印技术参考还注意到，2023年哈佛大学医学院使用深穿透声学体积3D打印的技术，实现了穿透厘米深度的生物组织打印，可用于从骨愈合到心脏瓣膜修复等生物医学目的。

哈佛大学使用体积打印实现医学治疗

体积增材制造的未来展望

体积3D打印的发展依赖光投影技术、动态调制声波、计算机视觉和机器学习工具等领域的突破。未来体积打印可以与其他多种3D打印技术结合，以混合打印的方式，制造具有高级功能的器件。例如预先依赖其他技术打印出器件的一个部分，进一步的采用体积打印制造其他部分，实现混合、多材料制造。

体积断层打印在很大程度上探索了多材料和多技术打印的概念。多材料结构的制造是通过在打印桶中分层不同树脂或通过使用顺序打印步骤来实现。此外,体积3D打印还可能备用与太空制造，该技术也确实是在空间探索飞行任务中迅速生产零件的理想选择。总的来说，这些进步将推动体积3D打印从研究初期不断发展成熟,为其在各行业、研究中心和医疗设施的广泛采用铺平道路,最终使数字化建设计划都能够接近即时制造。

注：本文由3D打印技术参考创作，未经联系授权，谢绝转载。

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