体积3D打印进展综述：快速、高分辨率、无分层深桶光固化 3D 打印

2024年7月8日，南极熊获悉，来自瑞士和美国的研究人员最近发表了一项研究，详细介绍了深桶光固化 3D打印（DVP）技术的进展。DVP技术减轻了对逐层打印的需求，并实现了前所未有的制造速度（几秒钟内）和高分辨率（>10 μm）。

相关研究以题为“Light from Afield: Fast,High-Resolution, and Layer-Free Deep Vat 3D Printing/远场光快速、高分辨率、无层的深桶 3D 打印”的论文发表在《ChemicalReviews》期刊上。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.chemrev.4c00134

深桶光固化打印技术 (DVP) 引入了无需分层、高分辨率、基于光固化的高精度 3D 打印。与传统方法不同，DVP 使用光在树脂桶深处交联液态光聚合物。这种方法可以同时实现整个体积的打印，提供更高的速度和更平滑的效果。

最广泛使用的光固化打印的方法是采用逐层扫描打印（图 1），其中通过穿过激光来诱导点状交联，从而使材料交联（例如立体光刻 (SLA)或双光子聚合（2PP）) 或使用图像投影（例如，部署数字微镜设备 (DMD) 或液晶显示器 (LCD) 的数字光投影 (DLP)）一次交联整个层。在这些方法中，薄层材料通过光投影进行光聚合，并附着在前一层已经交联的材料上。通常会使用光吸收剂来防止光穿透交联层并导致过度聚合。利用光作为雕刻工具，通过加快打印过程中各层之间的过渡，可以加快制造速度，例如连续液体界面生产 (CLIP)。更快的生产周期使其对于快速原型设计和迭代设计流程特别有价值。此外，通过基于光的打印实现更光滑的表面处理简化了后处理，进一步加快了生产时间。

过去几年，与上述涉及薄层材料增材交联的方法相反，人们开发出了新的打印方法，这些方法依靠光传播到充满树脂的大桶深处，以实现累积光剂量，从而将材料交联成复杂的形状。在 3D 打印或增材制造界，术语“体积打印”经常用于描述这些技术，但该术语的使用存在分歧。一种普遍的理解是，体积打印方法应该通过光投影同时生成 3D 打印结构的整个体积，这将包括多方向投影技术或断层打印。不过，其他技术在光传播深入树脂槽体积的工艺原理以及光引发和交联机制方面也具有一些共同点。其中包括基于光片的立体光刻技术或丝状光（FLight）生物制造。由于交联是在充满树脂的容器中进行的，因此体积印刷这一术语也用于基于光片的技术，例如 Xolography。为了避免这些差异，研究人员在本篇论文中使用“深桶”打印这一术语，以便能够同时涵盖相关的四种技术。

深桶光固化打印是使用旋转树脂桶和多个 2D 光投影来创建复杂的 3D 结构。多向投影涉及从各个角度投射光以产生累积 3D 光剂量，从而有效地固化树脂以形成复杂的形状。

图 1.传统的SLA逐层扫描和 DVP 方法。（图片来源：Chansoria 等）

图 2.A. DVP 方法利用来自多个方向的光剂量在光树脂中累积。B. 小瓶保持静止，从两个或三个不同方向投射具有强度图案灰度梯度的不同图像以交联树脂

图 3.层析扫描打印

DVP 中使用的光树脂依赖于特定的交联机制，例如逐步增长聚合，其中一旦达到临界光剂量阈值，树脂就会凝固。树脂内的光传播受比尔-朗伯定律支配，该定律决定了光在深入树脂槽时如何衰减。准直光束可确保树脂深度的均匀性，从而提高打印的精度。

光交联动力学起着至关重要的作用，受温度和局部光强度等因素的影响。交联过程中的放热反应会导致局部热诱导自催化，影响打印分辨率。热扩散和活性物质扩散也被认为是维持打印物体保真度的关键因素。

DVP 未来的改进重点是提高分辨率、优化光聚合物树脂和改进光投影技术。潜在应用涵盖从生物医学设备到航空航天部件等各个领域，展示了 DVP 在增材制造中的多功能性和效率。