3D体积打印：秒速制造的革命性突破

在传统3D打印仍在为毫米级的层层堆积耗费数小时甚至数天之时，一项名为体积3D打印（Volumetric Additive Manufacturing,VAM）的技术正以"秒速成型"的惊人能力整个制造业。这项技术无需逐层堆积，能够在几秒到几十秒内一次性制造出厘米级尺寸的物体，代表了增材制造领域的一次真正革命。

3D体积打印技术原理：从层层堆叠到整体成型

体积3D打印的核心原理突破了传统3D打印的思维框架。它不像传统技术那样逐层堆积材料，而是通过在透明容器中投射动态光图案或声场能量，使光敏树脂或专用材料在三维空间内特定区域同时固化。

目前主要有两种技术路径：基于光的体积打印（包括光学断层扫描、多光束叠加和光片基打印）和基于声场的体积打印。光学方法通过从多个角度投影预计算的2D光模式，重建目标3D光剂量分布；而声学方法则利用聚焦超声波的穿透能力，在不透明材料深处引发聚合反应。

这种技术差异使得体积打印能够克服传统逐层制造的诸多限制，特别是对于高粘度树脂、含有不透明成分的材料以及活细胞生物材料的处理上表现出优势。

3D体积打印显著优势：

体积3D打印最引人注目的优势是其惊人的生产速度。传统3D打印可能需要数小时完成的工作，VAM只需几十秒就能完成，厘米级物体的打印时间可缩短至约12.5秒，同时保持20-80微米的分辨率。

除了速度优势外，这项技术还具有诸多价值：

•无层打印：消除了传统3D打印的层间界面问题，提高了产品的整体性和机械性能

•高设计自由度：能够制造传统方法难以实现的复杂结构、悬垂结构和空腔，且无需支撑结构

•材料多样性：可处理高粘度树脂、弹性体、环氧树脂等传统难以打印的材料

•生物兼容性：特别适合细胞负载水凝胶的打印，细胞存活率超过85%

 

3D体积打印技术极大地扩展了可打印材料的范围，包括：

•高性能聚合物：丙烯酸酯和弹性体用于个性化助听器、牙科矫正器；正交环氧-丙烯酸酯配方实现空间控制的刚度变化；可调刚度硫醇-烯和形状记忆泡沫

•陶瓷与玻璃：聚合物衍生陶瓷通过热解转化为耐高温、耐腐蚀的SiOC陶瓷；二氧化硅纳米复合玻璃分辨率达50微米，表面粗糙度Ra仅6nm

•生物材料：明胶基水凝胶用于细胞负载生物制造；丝素蛋白在保持细胞高活性的同时实现复杂结构打印

3D体积打印技术正在多个领域展现出巨大潜力：

光学元件制造：对表面光滑度有要求的领域，体积打印能够制造高质量微透镜阵列和毫米级光学元件，实现低于1nm的均方根表面粗糙度。

软机器人和可移动部件：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，进一步拓展实现4D体积打印，制造功能材料如压电材料、导电、热反应材料等。

生物医学工程：这是体积打印前景的应用领域之一。体积生物打印利用技术的非接触式和高速特性，处理活细胞结构，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。哈佛大学医学院使用深穿透声学体积3D打印技术，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。