The Innovation | 面投影增材制造技术的突破：从新型加工策略到前沿应用

导 读

作为增材制造的关键技术之一，面投影技术具有打印速度快、成型精度高、成本低等特点，在前沿应用中展现出巨大潜力。近年来，以数字光处理为代表的面投影增材制造技术在新型加工策略、加工材料体系拓展及前沿应用等方面均取得了飞速发展和巨大突破。基于数字光处理的面投影技术为先进光学增材制造开辟了一条新途径。

图1 面投影增材制造技术的发展

面投影技术是光学增材制造（AM）的关键技术之一，其基本原理是将打印图案投影在光敏树脂表面，引发特定区域发生聚合反应而完成单层打印，再经层层叠加实现三维结构的制备。在众多面投影方法中，数字光处理技术（DLP）因具有可编程二维图案投影能力脱颖而出。与传统的逐点加工方式相比，DLP技术实现了逐层的三维结构加工，展现出加工效率高、成本低、可扩展性强等优势，被广泛应用于光学增材制造。

近几年，数字光处理增材制造技术（DLP-AM）发展迅猛，创新加工策略频出。DeSimone团队提出了一种注射连续液界面（iCLIP）方法。该方法通过创建微流体通道将树脂输送到打印区域，实现了主动式打印，在提高打印速度的同时还可加工高粘度（大一个数量级）的树脂材料。体增材制造（VAM）概念的引入则进一步提高了打印效率和加工精度，Regehly团队介绍的双色体打印技术基于光开关型光引发剂，在不同波长光束的交叉线性激发下，可诱导体单元内的局部聚合，实现薄层厚度可控的三维结构打印；Taylor团队利用计算机轴向光刻技术（CAL）实现了微尺度的体增材制造。上述VAM技术将加工分辨率缩小至微米量级，并实现了高速、无层的三维加工。

加工策略上的创新也促进了可加工材料体系的拓展。利用上述微型CAL系统，通过层析辐照法对光聚合硅纳米复合材料进行微加工，可获得具有高表面精度和复杂几何自由度的微尺寸熔融二氧化硅元件。Greer团队通过向打印出的多孔水凝胶支架结构中灌注金属前驱体溶液，成功制备出具有高精度和高硬度的金属复制品。并且这种方法具有较高的灵活性，能拓展到多金属单独或混合构件的制备。多种材料的增材制造可对具有不同性能的材料进行任意空间排列，极大地提升3D打印的设计和制造能力。然而，材料更换过程中的残余材料去除是关键问题。为此，葛琦教授团队通过离心力以非接触的方式去除残余材料，形成离心式多材料3D打印方法，能够打印出基于多种材料的异质结构。

目前在许多前沿应用中都有DLP-AM技术的身影，如微光学领域中光学元件的制备，微流体和组织工程领域中人体器官芯片、生物支架的生产以及微机电、微光机电系统中电路的打印等。此外，DLP-AM技术与一些功能材料的结合会进一步拓展其应用领域，例如新兴的可打印智能材料能够赋予打印结构一些独特的性能，包括高弹性、可拉伸性及刺激响应变形等特性，在可穿戴设备、柔性电子和软体机器人研发领域具有巨大的应用潜力。

总结与展望

近年来，以DLP为代表的面投影增材制造技术发展迅猛，在加工策略、加工材料和前沿应用方面取得了众多突破。然而面向未来，DLP-AM技术仍然存在亟待解决的难题，例如需要进一步提高打印速度、空间分辨率、加工精度等，以满足多功能、一体化系统的打印需求。新型打印材料的开发和多种材料的连续加工依然具有挑战性。多种加工方式的整合、加工系统的升级和投影技术的进步是推动面投影增材制造技术快速发展的必经之路。

责任编辑

张伦勇    哈尔滨工业大学

杨   阳    中国科学院深海科学与工程研究所

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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(23)00023-1

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第四卷第三期以Commentary发表的“The breakthrough of projection-enabled additive manufacturing: from novel strategies to cutting-edge applications” (投稿: 2023-01-20；接收: 2023-02-14；在线刊出: 2023-02-27)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2023.100395

引用格式：Liu Y., Zheng X., Zhang Y., et al. (2023). The breakthrough of projection-enabled additive manufacturing: from novel strategies to cutting-edge applications. The Innovation. 4(3),100395.

作者简介

刘 华，东北师范大学物理学院教授，博士生导师。主要从事光敏材料和玻璃材料的3D微纳打印方向研究工作。主持科研项目共22项，其中包括国家自然科学基金重点项目、面上项目、中科院青促会项目、吉林省中青年科技创新领军人才及团队项目、吉林省重点科技攻关项目，参与国家自然科学基金、国家重大科研仪器研制项目、863项目等。目前共计发表学术论文80余篇，其中SCI收录论文50余篇，多篇发表在光学等领域重要国际学术期刊 Additive Manufacturing，Optics Letters, Optics Express等上。获授权国家发明专利20余项。

http://js.nenu.edu.cn/teacher/index.php?zgh=2017900033

刘雨晴，东北师范大学物理学院讲师，主要从事激光加工微纳结构化功能表面及器件方向的研究工作。目前共计发表学术论文30余篇，其中第一作者SCI论文10篇，多篇发表在重要国际学术期刊Advanced Science, ACS Applied Materials & Interfaces, Optics Letters等上。入选第5批国家博士后创新人才支持计划，主持国家自然科学基金青年基金，参与装备预研-教育部联合基金重点项目等。

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