摘要：体积三维打印技术能够快速制造厘米级的物体，最快的技术只需几秒钟。在过去 7 年中出现的这一新技术系列将彻底改变增材制造技术，它可以直接在一桶材料中根据光学和声学场以无层方式制造物体和功能部件。现代体积三维打印方法正在克服传统逐层打印方法所固有的许多挑战，在过去

体积三维打印技术能够快速制造厘米级的物体，最快的技术只需几秒钟。在过去 7 年中出现的这一新技术系列将彻底改变增材制造技术，它可以直接在一桶材料中根据光学和声学场以无层方式制造物体和功能部件。现代体积三维打印方法正在克服传统逐层打印方法所固有的许多挑战，在过去的 40 年中，这种方法一直是研究和工业领域的标准。

鉴于此，荷兰乌得勒支大学Riccardo Levato教授在最新一期《Nature Reviews Materials》以题为“The road ahead in materials and technologies for volumetric 3D printing”发表了一篇综述，侧重于确定材料化学和工艺工程领域即将面临的挑战和研究方向，以推动体积式三维打印技术从起步阶段走向更广泛的应用。最新进展包括基于光学断层扫描、光和声全息、全息、多波长和上转换介导打印技术的开发，以及具有定制设计特性的材料的引入。此外，还讨论了在光学和光子元件开发、快速原型设计、软机器人技术和活细胞生物打印方面的应用前景，以及将体积制造发展成为可广泛使用的技术平台的愿景。

【概览】

作者讨论了体积3D打印的快速崛起和未来，作者也将其称为体积增材制造(VAM)。与依赖逐层沉积或光聚合的传统3D打印方法不同，体积打印使用全体积场（主要是光学或声学）在单一连续过程中制造三维部件。

所有体积技术都依赖于能量场来触发“树脂”或“墨水”体积内的化学反应（最常见的是聚合反应）。作者提供了体积增材制造主要系列的概览比较。一方面是基于光的技术，包括多光束叠加、断层扫描体积打印和各种光片方法。另一方面是基于声学的方法，利用聚焦超声或声全息术。图中的每个子面板都可视化了能量场如何传送到树脂桶中，要么通过引导三维重叠的光束，要么通过聚焦超声波并精确控制位置和强度。

图 1. 不同类别体积打印技术的概览

本文中的图2按时间顺序绘制了体积打印的成就轨迹，并预测了近期的发展。它重点介绍了多光束叠加的早期演示、断层扫描打印的变革性到来，然后是最近的创新，如光片打印（xolography）、直接声音打印和新兴的混合工艺。2025年以后，可以预见连续生产方法、更复杂的硬件（例如全息调制器）和先进的材料化学将使体积打印更接近工业和临床应用。

图 2. 体积打印方法主要里程碑和未来发展的时间表

【立体印刷的材料设计】

成功进行立体印刷的最关键因素之一是树脂或“生物树脂”的设计。这些配方通常包含：（1）引发剂：对于基于光的系统，I型或II型光引发剂将吸收的光子转化为驱动聚合的活性自由基。断层扫描方法通常使用低浓度的氧化膦基光引发剂来避免过度的光衰减，而xolography依赖于需要双色激活的光引发剂。在声学印刷中，热或空化引发剂促进超声强度最高处的聚合物交联。（2）聚合物结构单元或单体：常用的化学成分包括丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯和硫醇-烯体系。丙烯酸酯聚合速度非常快，但可能会发生显著收缩。硫醇-烯网络通常形成更均匀的交联，并且相对耐氧。含有陶瓷或玻璃前体颗粒的复合材料也正在被研究，以便批量制造用于光学、流体或生物陶瓷的可烧结组件。（3）添加剂：不直接参与聚合但有助于控制树脂流变性、限制氧抑制或匹配折射率的化合物。例如，碘克沙醇已用于将树脂的折射率与细胞的折射率相匹配，以减少载有细胞的生物树脂中的散射。同样，自由基清除剂（例如TEMPO）可以通过防止焦点区域外的不必要凝胶化来增强打印对比度。

图 3. 体积打印树脂的关键成分

【新兴应用】

由于体积打印可以在没有传统支撑的情况下快速生产复杂的3D物体，因此其应用空间非常广阔：陶瓷、玻璃和光学元件：混合聚合物陶瓷树脂可以体积成型，然后烧结成致密或多孔陶瓷。二氧化硅纳米颗粒悬浮液也同样通过断层扫描打印，在后处理后产生表面粗糙度为纳米级的微透镜阵列。这些高清晰度光学元件和复杂的几何形状功能为镜头制造、光子学和流体设备带来了希望。软机器人和关节部件：一步打印空心、封装或移动元件的能力允许创建自由移动的关节、阀门和机构（例如，球笼式止回阀）。通过使用弹性体或水凝胶基树脂，可以生产软致动器或超材料设计。结合刺激响应聚合物（导电、压电、磁性）可扩大形状变化的范围，促进变形结构的4D打印。活细胞和组织的生物打印：一种特别令人兴奋的途径是体积生物打印，它大大缩短了载有细胞的水凝胶的制造时间。这种减少的暴露有利于细胞存活，而VAM的非接触性质避免了挤压过程中遇到的剪切应力。各种配方（如明胶甲基丙烯酰(GelMA)、丝基或脱细胞基质水凝胶）已被采用，其中一些每毫升含有数千万个细胞。组织模型（如心脏或肝脏结构）已被打印以捕捉结构特征和细胞功能。图4汇编了如何部署体积打印来生产从陶瓷和镜片到复杂的软机器人组件和活体组织状结构等物体的示例。横截面图像突出显示了如何直接打印光滑表面、精细通道网络或自由浮动元素。同时，生物学背景（如在工程组织中创建营养物质运输的微观途径）再次证实了体积制造非常适合仿生设计。

图 4. 体积打印方法的新兴应用

【未来展望】

尽管体积打印技术尚处于起步阶段，但它已经在制造速度和几何自由度方面展现出显著优势。展望未来，有几种趋势可能会影响其发展：（1）动态相位调制和全息术：下一波硬件创新可能包括相位空间光调制器，以创建动态高分辨率全息投影，从而减少斑点并最大限度地减少偏离目标的曝光。同样，声学打印可以利用可编程超表面对超声波阵面进行完全实时控制。（2）多材料平台：在一个步骤中无缝打印多种材料（或按顺序打印，同时保持对齐）仍然是一个目标。各种混合方法（例如，将第二种树脂嵌入挤压到体积支撑中，或在同一设置中分层多种断层扫描树脂）已经暗示了颜色、硬度或生物功能如何在构建中在空间上发生变化。（3）临床规模的生物打印：随着细胞致密材料和散射缓解策略的进一步改进，体积方法有朝一日可能直接在人体内部或周围打印组织构造或医疗植入物。利用声波的深度穿透能力甚至可能实现专门的体内制造，尽管必须小心处理组织内加热和安全问题。（4）计算智能：随着打印速度的提高（有时在几秒钟内完成），实时传感器和快速迭代算法变得至关重要。集成机器学习可以确保一致、可预测的构建，同时最大限度地减少用户监督。从长远来看，这些自适应框架有望实现完全自动化的大规模体积工厂。

总之，在材料设计、物理感知计算建模和先进工程相结合的合作推动下，基于现场的制造革命将继续下去。在目前的状态下，体积3D打印已经提供了从复杂的光学镜片到功能性心脏组织类似物等更快、无层制造的引人注目的一瞥。未来的工作包括扩大这些方法、提高分辨率和多样化材料选择，以便VAM能够成为科学研究、工业制造甚至再生医学的标准工具。

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来源：白公子来了