高速高精光固化增材制造技術(shù)前沿進展

宗學(xué)文 張佳亮 周升棟 閆丹 倪銘佑 李素麗 楊來俠 王磊 黃紀(jì)霖 盧秉恒

摘 要：增材制造技術(shù)被稱為新工業(yè)革命的標(biāo)志性技術(shù)，立體光刻在能源器件、加工材料、制造方案的迭代中，發(fā)展出多種高分子材料快速成形技術(shù)方案。作為制造技術(shù)關(guān)鍵評價的速度、精度指標(biāo)，始終引領(lǐng)著宏微觀尺度光固化增材制造技術(shù)發(fā)展方向，推動形成嶄新的技術(shù)方案。光固化增材制造技術(shù)由早期的激光點掃描成形，逐步發(fā)展出面制造、體制造。文中通過分析近5年來國內(nèi)外高速高精光固化前沿文獻，討論了7種方法的技術(shù)原理、關(guān)鍵器件能力限制、創(chuàng)新特點和其面臨的工程應(yīng)用問題，包括體成型技術(shù)：計算軸向光刻技術(shù)和激光全息投影技術(shù);面成型技術(shù)：連續(xù)液面生長技術(shù)、雙波長光源直寫光刻技術(shù)、高速大尺寸技術(shù)、飛秒投影雙光子光刻微納技術(shù)、雙紫外臭氧動態(tài)掩模技術(shù)。并比較了這7種技術(shù)的科學(xué)依據(jù)技術(shù)原理與工程問題，揭示該技術(shù)的迭代演化規(guī)律和潛在應(yīng)用場景。

關(guān)鍵詞：高速高精;光固化;增材制造;成型新方法;前沿進展

中圖分類號：TP 391.7

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-9315（2021）01-0128-11

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2021.0117

Research progress of high speed and high precision light

curing additive manufacturing technology

ZONG Xuewen1，2，3，ZHANG Jialiang1，2，ZHOU Shengdong1，2，YAN Dan1，2，NI Mingyou1，2，

LI Suli1，2，3，YANG Laixia1，3，WANG Lei3，4，HUANG Jilin3，LU Bingheng3，4

（1.College of Mechanical Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;

2.Institute of Additive Manufacturing Technology，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;

3.National Innovation Institute of Additive Manufacturing，Xian 710300，China;

4.Collaborative Innovation Center of High-End Manufacturing Equipment，Xian Jiaotong Univertsity，Xian 710054，China）

Abstract：.Additive manufacturing technology is known as the iconic technology of the new industrial revolution.In the iteration of energy devices，processing materials，and manufacturing solutions，Stereo Lithography Appearance has developed? rapid prototyping technology solutions multiple high polymer material，such as Laminated Object Manufacturing，Selected Laser Sintering，F(xiàn)used Deposition Modeling，Three Dimensional Printing and Gluing and so on.As the key evaluation of manufacturing technology，speed and accuracy index have always led the development of macro-scale photocuring additive manufacturing technology，and promoted the formation of new technical solutions.These technical methods have been promoted and applied to new processing materials，such as metals，ceramics，and composite materials，and evolved into a new process，gradually forming an additive manufacturing technology system featuring direct manufacturing of various materials.These technologies not only have been maturely applied to the medical field，but also? to the aerospace，automotive industry，mold industry，green mine development and other fields.These manufacturing technologies were formed by early laser spot scanning，and gradually developed surface manufacturing and volume manufacturing.Based on the domestic and international high-speed and high-accuracy photo-curing frontier literature in the past five years，this paper discusses the technical principles of seven methods，key device capability limitations，innovative features and currently engineering application problems，revealing the iterative evolution of the technology and potential applications，with the iterative evolution and potential application scenarios of the technology explored.Key words：high-speed and high-accuracy;photo-curing;additive manufacturing;new method of forming;advanced progress

0 引 言

增材制造技術(shù)（Additive Manufacturing，AM）俗稱3D打印技術(shù)，與傳統(tǒng)的減材制造、等材制造不同，它是通過產(chǎn)品的三維數(shù)字模型，在設(shè)備加工坐標(biāo)中定向、添加支撐、切片等操作，生成加工的控制代碼，加工成型特定材料。它可根據(jù)設(shè)計需要制造出形狀復(fù)雜、精度不同的各類原型，是一種顛覆性技術(shù)，為制造業(yè)提供了嶄新的數(shù)字化制造理念，實現(xiàn)了很多傳統(tǒng)加工方法難以制造的復(fù)雜造型，被稱為新工業(yè)革命的重要標(biāo)志性技術(shù)[1]。

1986年美國的Charles W.Hull獲得了立體光刻的技術(shù)發(fā)明專利，創(chuàng)建了3D System公司，1987年成功完成了國際首臺以激光焦斑掃描累加成形的立體光刻成形機（SLA-1或SLA250），最早實現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用，由此開啟了激光制造的典范。上世紀(jì)90年代美國、加拿大、以色列、歐洲先后發(fā)展了疊層實體（LOM）、激光選區(qū)燒結(jié)（SLS）、熔融絲材沉積（FDM）、三維粉體粘接（3DP）、靜電掩模光固化等AM工藝，構(gòu)成了中期的快速成形技術(shù)體系，形成了90年代以來手機、汽車、發(fā)動機等復(fù)雜構(gòu)型制件的支撐技術(shù)。后期科研人員以此為基礎(chǔ)，逐步發(fā)展演繹出一百多種增材制造新工藝，加工材料也從早期的光敏樹脂發(fā)展到聚苯乙烯、PLA，PCL，PEEK等高分子材料，目前逐漸開展了鋁合金[2]、不銹鋼、模具鋼[3]、鈦合金[4]、高溫合金[5]等金屬材料和各種陶瓷復(fù)合材料[6]的增材制造技術(shù)研究。

中國上世紀(jì)90年代早期，在科技部的資助下西安交通大學(xué)、清華大學(xué)、華中科技大學(xué)和北京隆源公司開展快速成形技術(shù)研究。盧秉恒團隊90年代末研發(fā)出第一臺光固化成形機，其培養(yǎng)的人才先后形成了陜西恒通、上海數(shù)造、中瑞科技、西安FOCUS科技等商業(yè)化技術(shù)公司、西安科技大學(xué)增材制造技術(shù)研究所等諸多企業(yè)單位，共同推進了光固化3D打印技術(shù)研發(fā)、培育、應(yīng)用與社會服務(wù)推廣，形成了近30家光固化AM技術(shù)百花齊放的局面[7-8]。

光固化AM的科學(xué)原理是基于光敏材料聚合機理、利用精密機械和光路控制器件，在計算機精準(zhǔn)控制下，把目標(biāo)三維數(shù)模轉(zhuǎn)化為設(shè)備特定的控制代碼，實現(xiàn)材料的數(shù)字單元逐層固化累加，自動完成整個數(shù)字模型的物質(zhì)重構(gòu)。從單元技術(shù)要素上看，主要涉及光敏材料體系特性設(shè)計、光源器件性能、控光器件指標(biāo)、精密機構(gòu)構(gòu)建、三維數(shù)模、系統(tǒng)軟件開發(fā)和累加機制規(guī)劃。

從技術(shù)成果上看，目前商業(yè)化宏尺度機型可制造數(shù)模能達2 m（精度為主尺寸的1‰），雙光子微納機型三維累加分辨率可達50 nm。隨著新功能光敏材料和單元技術(shù)30多年的發(fā)展，激光點累加制造效率已由早期的8 g/h進化到300 g/h，受到材料、累加機制和器件性能指標(biāo)的制約，大尺寸高精度的宏納制造成為難題，即使按現(xiàn)有設(shè)備每天24 h達7 kg的極限制造能力，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足國家三航一潛、綠色礦山等大型戰(zhàn)略裝備零部件開發(fā)需求[9-10]，因此滿足性能、精度條件下的制造速度成為AM市場評價的重要指標(biāo)。

本世紀(jì)初，隨著微鏡整列（Digtial Micromirror Devices，DMD）、液晶等控光器件的成熟，產(chǎn)生了可同時進行數(shù)百萬微光點并行累加的面成形光固化技術(shù)，出現(xiàn)了雙光子微納加工，推動了光固化由逐點制造向上百萬點并行制造的面成形方式進化。

文中綜述了近5年來全球以高速高精為核心的光固化AM技術(shù)進展，結(jié)合公布的實驗研究和新功能光敏材料制造成果，展現(xiàn)該技術(shù)的潛在應(yīng)用場景，討論了高速高精光固化AM技術(shù)發(fā)展方向及趨勢。

1 高速光固化AM技術(shù)研究進展

1.1 計算軸向光刻（computed axial lithography，CAL）技術(shù)

CAL是KELLY等人于2019年初在《Science》上發(fā)表的一種技術(shù)，該方法顛覆了之前的光固化AM思路，將之前光固化的點掃描線成型、面成型直接發(fā)展到體成型方法[11]。CAL技術(shù)基于一種廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)成像和無損檢測的CT圖像重建程序，將光作為一組二維圖像照射到盛有高導(dǎo)光液體的方形器皿中，液體中放置有持續(xù)旋轉(zhuǎn)的圓柱形高透光杯，面光束對杯中回轉(zhuǎn)的光敏樹脂液體進行選擇性固化。其中圖像投影從不同角度通過圓柱透鏡在材料中傳播，從多個角度照射的紫外光經(jīng)透鏡聚焦后，形成三維空間曝光效果，使材料凝固成所需的幾何形狀，其固化原理如圖1所示。

CAL技術(shù)投影系統(tǒng)仍為DMD系統(tǒng)，三維數(shù)模通過分層切片，其投影示意如圖1所示。該技術(shù)將原有的三維空間形狀設(shè)為圓柱坐標(biāo)系下的數(shù)字化打印函數(shù)

f（，z），f（，z）取值為0或1，分別表示不存在或存在固化材料，并且經(jīng)過Radon變換，可以直接與目標(biāo)幾何形狀進行比較。

（1）

式中 I為表示閾值的指標(biāo)函數(shù);Dc為定義材料充分固化的臨界劑量;α為樹脂的光吸收系數(shù);Ω為容器的旋轉(zhuǎn)速率。

CAL技術(shù)利用比爾朗博定理在回轉(zhuǎn)照射的Radon逆變換下，實現(xiàn)對三維模型重建，其過程如圖2所示。其2D圖像處理以傅里葉變換為基礎(chǔ)，通過DMD投影系統(tǒng)使得零件直接在樹脂回轉(zhuǎn)軸線上累加成形，在極坐標(biāo)體系下消除層累加帶來的臺階效應(yīng)，為光固化成形提供了一種新的方法。

其打印的材料除了光敏樹脂外還包括甲基丙烯酸酯水凝膠材料、具有高粘度和高剛度的熱阻材料以及硅樹脂等。

該方法目前存在以下問題：①成型精度只有±0.3 mm，制造精度還需要進一步提高;②體成型的方法對于一些內(nèi)部空心的形狀很難使用，需要發(fā)展新的工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，才能實現(xiàn)成型;③參數(shù)控制、算法的可靠性仍然無法保證。

1.2

激光全息投影（project holographic optical fields，PHOF）技術(shù)

激光全息技術(shù)是通過3D全息光場在多個軸向平面或3D空間上投影，來自不同方向的多束光在光敏樹脂中疊加形成數(shù)字化圖案進行曝光，當(dāng)光以合適的輻射功率（約10至100 mW）照射時，會在光引發(fā)劑含量約占1‰的低吸收性樹脂中完成固化，它可在1至10 s內(nèi)成功地構(gòu)建出完整的3D成形件結(jié)構(gòu)，是一種可實現(xiàn)高速光固化3D打印的方法[12]。從控光原理上看，它使用光反射元件對相干激光束進行相位調(diào)制，將全息形狀光場的多個子圖像定向，使得它們在樹脂體內(nèi)相交，各光束傳輸最大的能量至需要固化的樹脂體內(nèi)的固化區(qū)域。由此，零件原型會在約10 s內(nèi)完成原位固化，無需任何支撐結(jié)構(gòu)，也無需逐層固化。其原理如圖3所示。

圖中，激光器發(fā)出532 nm光束，4-f鏡頭組L1～L2和L3～L4構(gòu)成光束軸向焦斑控制光路，可正確調(diào)整光束大小照射到單相空間光調(diào)制器（SLM）上，使用針孔（PH）對光束進行空間濾波。傅立葉變換透鏡（FTL，f=250 mm）投射在SLM上顯示的相位全息圖，從而在全息圖平面（HP）上形成所需的光功率密度分布，該平面通過添加到SLM的相位掩膜曲率使光從FTL透鏡的焦平面（放置光束塊BB的位置）移開，而未衍射的光被膜BB消除。透鏡L5和L7構(gòu)成一對圖像中繼透鏡組，借助曝光鏡MEX將三維光場圖案（按輻照度要求）投射到樹脂體系中。在三光束配置中，樹脂容器下方的第二反射鏡（不在平面內(nèi)）將第三子圖像從第三正交方向引導(dǎo)到比色杯中。當(dāng)用樣品代替M3時，顯微鏡物鏡MO和反射鏡M3有助于以降低的放大倍率，以監(jiān)視圖像質(zhì)量并進行曝光測試。

該打印技術(shù)有4個關(guān)鍵部分：①光源和光束調(diào)節(jié)系統(tǒng);②圖案成型系統(tǒng);③圖案投影-傳輸系統(tǒng);④光敏樹脂匹配。這種方法通過3D全息光學(xué)場驅(qū)使疊加多個圖案光束，在多個軸向平面或3D三維投影上投影，可以無需支撐直接制造各種非遮擋性的3D結(jié)構(gòu)，使用“一次全體積”單元操作進行光敏聚合物固化，而無需逐層處理，大大提升了打印速度。

該方法存在以下特征：①樹脂固化后密度增加，在成型期間其空間位置是否漂移，取決多因素，成形質(zhì)量缺乏保障手段;②從原理上看，激光全息系統(tǒng)選擇波長大于紫外段，可傳輸光量子數(shù)和大尺度原型制造需求相比很小，可制造尺寸比較小，不適合大尺度原型;③全息光學(xué)場系統(tǒng)構(gòu)建成本較高，如有適配材料，需選擇特定應(yīng)用場景。

1.3

連續(xù)液面生長（continuous liquid interface production，CLIP）技術(shù)

CLIP技術(shù)是一種基于數(shù)字微鏡陣列（DMD）實現(xiàn)掩模固化方法，利用光敏樹脂在常溫下的氧阻聚效應(yīng)，研發(fā)出的一種新型高速光固化技術(shù)。由Carbon3D公司TUMBLESTON等人于2015年3月在《Science》正式發(fā)表，這種技術(shù)一經(jīng)刊出就引起業(yè)內(nèi)科研人員高度關(guān)注[14-15]。

其氧阻聚效應(yīng)實現(xiàn)的方法是，通過在紫外線曝光的樹脂液面上設(shè)置一層透氧膜（聚四氟乙烯透氧膜或多孔透紫外材料），使氧氣進入光敏樹脂表面溶解而起到阻聚劑的作用，這樣在當(dāng)前層固化時，從累加基準(zhǔn)面到填充層的樹脂不會全部固化，氧氣溶解度達到阻聚閥值的樹脂始終保持液態(tài)（稱為死區(qū)，意為不固化），沒有達到氧阻聚閥值的形成固化層（即累加層），從而減少了傳統(tǒng)MIP光固化技術(shù)的原型-膜分離環(huán)節(jié)，液態(tài)樹脂可快速進入層厚間隙，實現(xiàn)了連續(xù)液面打印。其原理如圖4所示。

圖示中的“死區(qū)”厚度（dead zone thickness，TDz）與入射光子通量（Φ0），樹脂比例常數(shù)（C），光引發(fā)劑吸收系數(shù)（αPI）和樹脂固化劑量（Dc0）有關(guān)，并有以下的理論關(guān)系由于該技術(shù)沒有型-膜分離環(huán)節(jié)，省去了大量的型-膜分離的回合等待時間，其Z向最高累加速度經(jīng)實驗驗證可達500 mm/h，相比于傳統(tǒng)的光固化成型工藝的成形速度快了100倍之多，由于分層厚度俞小分層制造的臺階效應(yīng)也越小，采用該技術(shù)許可的最小分層厚度能夠有效降低臺階效應(yīng)提高制造精度，實現(xiàn)了面成形速度與精度的極大提高。

CLIP技術(shù)可使用超分子記憶材料[16]、軟彈性材料[17]、結(jié)構(gòu)材料[18]和生物材料[19-20]等不同的材料，有潛力將增材制造的應(yīng)用擴展到更多的科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域，并降低復(fù)雜的聚合物基物體的制造成本。

CLIP工藝存在以下亟待突破的難題：①受到透氧膜透氧能力的限制，加上氣液界面溶解氧靠填充樹脂稀釋聚合固化，實現(xiàn)穩(wěn)定的界面溶氧達到阻聚閥值很困難，導(dǎo)致死區(qū)厚度動態(tài)變化，累加層厚變化、層間累加不能有效進行;②以上公式并未揭示出影響工藝的全部因素，比如氣體含氧量、氧分壓與界面溶氧度關(guān)系，加上①的原因，實現(xiàn)大面積阻聚困難，不適合打印實心的模型;③高速帶來層間樹脂必須高速補充，才能匹配，樹脂粘度導(dǎo)致高速補充困難，膜處于間歇運動狀態(tài)、層料物態(tài)影響聚合率變化，使不同層固化的收縮率、性能一致性差;④由于②的原因，阻聚層受環(huán)境影響因素復(fù)雜很難穩(wěn)定，當(dāng)前尋找合適的連續(xù)增材速度的方法，主要從試驗和失敗的實驗中獲得的經(jīng)驗知識，如何通過數(shù)學(xué)建模的方式來確定適當(dāng)?shù)倪B續(xù)打印速度才能高效、可靠、連續(xù)地打印零件;⑤氧阻聚材料屬于自由基聚合，收縮率大難以滿足工業(yè)化需求，而目前工業(yè)中量產(chǎn)樹脂多為陽離子混雜型，阻聚效果差，在該工藝中使用受限，專用材料需要開發(fā)驗證才能用于推廣。

1.4 雙波長光源直寫光刻（dual-wavelength lights direct-write photolithography，DWL-DWP）技術(shù)

該技術(shù)是由密歇根大學(xué)的MARTIN和HARRY等人的研究團隊，于2019年開發(fā)出的新方法，它使用2種不同波長光源實現(xiàn)連續(xù)打印目標(biāo)，其中一個光源是固化樹脂需要的特定光源（波長為458 nm由藍光DMD供給），另一個光源則是抑制樹脂固化藍光光源（波長為365 nm由LED紫外燈供給），從而起到替換CLIP技術(shù)中透氧膜抑制樹脂固化的目的，這種方法采用直接抑制光掩模照射非固化區(qū)域，誘發(fā)樹脂體系中抑制劑活性激發(fā)，從而實現(xiàn)類似于CLIP工藝中的氧阻聚區(qū)。其原理如圖5所示[21-22]。

由于采用光激發(fā)抑制的方法，所以不存在CLIP中的氧透量受限問題，使得中間的抑制固化層厚（Inhibition volume thickness，TIv）可達毫米級厚度，這樣使得樹脂填充速度高于CLIP數(shù)千倍。抑制固化厚度TIv取決于抑制光強度IUV，0和入射光強度Iblue，0，并符合如下的函數(shù)關(guān)系式

式中 IUV，0為抑制光強度;Iblue，0為固化光強度，抑制系數(shù)（β）是給定樹脂組合物的常數(shù)，樹脂對2種光的吸收高度用hUV和hblue定義，吸收高度是以入射光程中光強衰減了90%時，所有吸收物質(zhì)（ci）的濃度乘以其特定于波長的吸收率（εi）之和的倒數(shù)，即

hi=1∑εici。

LIN等從理論上證明，在給定的藍光強度下，沒有紫外線，較高的引發(fā)劑濃度和速率常數(shù)會導(dǎo)致較高的轉(zhuǎn)化率，這取決于k[gB1C1]0.5的縮放定律[23]。該打印技術(shù)通過雙波長抑制層的方法，解決了CLIP技術(shù)中固化面積較大時，連續(xù)打印樹脂回流速度慢的問題，從而大大提升了打印速度。

該技術(shù)目前存在以下問題：①光抑制劑的有效性強烈依賴于單體;②通過高照度紫外線或高濃度抑制劑來實現(xiàn)短誘導(dǎo)固化，其本身不僅增加了雜質(zhì)含量、同時還需要一定的氧氣，這會導(dǎo)致樹脂延遲固化和性能改變;③對于藍光照射下高轉(zhuǎn)化率固化的樹脂研發(fā)不足。

1.5

高速大尺寸（high-area rapid printing，HARP）技術(shù)

高速大尺寸（HARP）技術(shù)是由Walker等研發(fā)的一種無死層的方法來進行快速SL打印，即HARP（高區(qū)域快速打?。?，該方法能夠以極高的垂直打印速度將大尺寸零件連續(xù)打印出來[24] 。

HARP工作原理是將UV固化樹脂漂浮在流動的不混溶氟化油床上（氟化液體用于醫(yī)藥和海洋生物污染時，除濕行為的廣度可能很大）[25-26]，以最大程度地減少在構(gòu)建區(qū)域的界面粘合，所以氟化相面相對于打印的固化成型部件保持恒定運動，進一步減小了粘附力（即靜態(tài)與動態(tài)），并生成了固液滑移邊界。使油通過熱交換器再循環(huán)，以冷卻或加熱構(gòu)建區(qū)域并在整個打印床上保持恒溫控制。成功解決CLIP技術(shù)中氣態(tài)不能迅速散發(fā)所產(chǎn)生熱量的問題，可以生產(chǎn)大尺寸的光固化成型件。由于HARP不需要氧致死層，因此它與對氧敏感和對不敏感的光敏材料化學(xué)性質(zhì)均兼容，從而擴大了適用樹脂和所得材料的范圍。

圖6是HARP連續(xù)3D打印技術(shù)的移動界面的流程概況。（a）從HARP 3D打印機出現(xiàn)的3D打印部件的方案。（b）在不同流速下印刷部件下的速度分布，表明存在滑移邊界。顏色代表每秒的體積通量q（紅色，q=0.21 mm/s;橙色，q=0.30 mm/s;綠色，q=0.44 mm/s;藍綠色，q=0.56 mm/s;藍色，q=0.66 mm/s;紫色，q=0.75 mm/s。

空心圓是來自粒子成像測速儀的實驗數(shù)據(jù)點，連續(xù)線來自分析模型。（c）該零件下的滑移邊界流動剖面的方案插圖，具有代表性的實驗觀察到的流動剖面。

盡管HARP打印技術(shù)具有連續(xù)打印、大面積、散熱性好、打印材料兼容性好的優(yōu)點，其進一步發(fā)展存在以下需要改進的內(nèi)容：①開發(fā)能夠保持高橫向分辨率，并且可以通過接口傳遞高光密度的高速光學(xué)系統(tǒng);②高速垂直運行的立體光刻系統(tǒng)由于速度快，仍然會受到低粘度和低收縮性樹脂的可用性的限制，需要開發(fā)可用于產(chǎn)生具有工業(yè)相關(guān)性能、分子結(jié)構(gòu)的光敏樹脂。

1.6 飛秒投影雙光子光刻微納（femtosecond pro-ject two-photon lithography，F(xiàn)P-TPL）技術(shù)? FP-TPL技術(shù)由雙光子光刻（Two-photon lithography，TPL）發(fā)展而來，是一種基于DMD數(shù)字微鏡設(shè)備基礎(chǔ)上，結(jié)合飛秒投影的并行雙光子光刻處理，可確保同時對超快光進行時空聚焦，以亞微米分辨率并行打印任意復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)。與此同時，在并不損害亞微米分辨率的情況下，相比于TPL技術(shù)[27]，F(xiàn)P-TPL技術(shù)將打印速度提高2～3個數(shù)量級[28]，在微納制造中是一個突破。2019年由美國加州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室

SOURABH團隊和香港中文大學(xué)

CHEN團隊合作提出了通過超快激光打印亞微米結(jié)構(gòu)的技術(shù)[28]。

飛秒投影雙光子光刻通過數(shù)字微鏡設(shè)備（DMD）的標(biāo)準(zhǔn)光柵狀組件，將光片圖案化為任意的2D圖案，利用飛秒激光器的寬帶特性和DMD控光來實現(xiàn)時域聚焦。在時間聚焦期間，預(yù)拉伸的超短光脈沖在其穿過光敏聚合物抗蝕劑時會逐漸縮短，從而僅在空間焦平面上獲得最短的脈沖（最高光強度）。通過時間聚焦產(chǎn)生的強度梯度可確保寫入在空間上限制在焦平面上，而不會引起焦平面上方或下方的聚合（如圖7所示），深度分辨率不會隨著照射時間而損失，利用這種原理可實現(xiàn)超薄且均勻的飛秒光片和優(yōu)化的體素長寬比，在大面積上一致且可靠地打印了亞微米3D結(jié)構(gòu)。

在圖7中，（a）使用數(shù)字掩模的逐層投影的亞微米分辨率的3D打印效果;（b）制造裝置的示意圖。印刷2D層形成過程是通過將微鏡陣列（Micromirror array）的圖像投影到光敏聚合物抗蝕劑（Photopolymer resist）內(nèi)的印刷平面（Print plane）上。通過飛秒（Femtosecond，fs）激光的短時聚焦產(chǎn)生強的強度梯度，可以將打印層厚度限制在小于1 mm之內(nèi)。圖中L1是指準(zhǔn)直透鏡，L2是指物鏡，飛秒脈沖在通過光學(xué)系統(tǒng)時會被拉伸和壓縮，以實現(xiàn)時間聚焦。微鏡陣列從光譜上分離飛秒脈沖的不同波長并對其進行拉伸，而物鏡將脈沖聚焦在時域中。將微鏡陣列L1和L2設(shè)置為類似4f的光學(xué)裝置，以確保微鏡陣列和物鏡L2的焦平面之間所有波長的光路長度相等，而其他波長之間的光程長度不相等;（c）時間聚焦在物鏡的聚焦體積中的放大示意圖，其中最短的脈沖僅在聚焦（構(gòu)建）平面上獲得，I為激光強度，t為時間。

該技術(shù)從投影機制上實現(xiàn)了與TPL不同的新方法，它可以在很寬范圍內(nèi)控制連續(xù)投影特征的大小，在成型底板上產(chǎn)生的特征尺寸與光學(xué)參數(shù)半高全寬（full width at half maximum，F(xiàn)WHM）的關(guān)系如圖8所示。

圖8中，對于非常薄的特征（3 px，3像素寬），在更寬的曝光時間范圍內(nèi)，線寬保持在光學(xué)FWHM寬度以下。相反，即使在低曝光條件下，對于較厚的特征（6 px，high-power condition高功率條件），線寬也超過光學(xué)FWHM寬度，在體積光聚合過程中也觀察到了類似的尺寸依賴性閾值行為，有研究人員將該現(xiàn)象被稱為自接近效應(yīng)[12]。飛秒投影雙光子光刻3D打印技術(shù)在功能性微結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)（如機械和光學(xué)超材料，微光學(xué)，生物支架[30]，電化學(xué)界面和柔性電子產(chǎn)品）制造中有著廣闊的應(yīng)用前景，可打印出任意形狀。

該技術(shù)目前存在以下需要進一步完善的要求：①飛秒激光可以瞬間投射上百萬個光斑，那么對光學(xué)器件精度、可靠性要求較高;②同時對投射出的百萬個光斑實現(xiàn)并行制造，對控制系統(tǒng)要求高，需要進一步開發(fā)新的控制算法。

1.7

雙紫外臭氧動態(tài)掩模（dual-ultraviolet ozone dynamic mask，DUOBM）技術(shù)

雙紫外臭氧動態(tài)掩模3D打印技術(shù)是西安科技大學(xué)宗學(xué)文團隊于2014年提出的臭氧掩膜新方法，其工作的科學(xué)依據(jù)—Chapman臭氧循環(huán)理論[31]。氧氣的紫外吸收譜區(qū)（Ⅰ區(qū)波段）主要在175～200 nm之間，稱之為舒曼-容格帶。臭氧的吸收譜帶（Ⅱ區(qū)波段）稱為哈特萊帶，它的作用范圍大約在200～300 nm區(qū)間，譜帶的中心為255.3 nm[32]，利用紫外準(zhǔn)分子光源，高能波長短、常溫高效的特點，先在Ⅰ區(qū)選用單峰紫外線將氧氣轉(zhuǎn)化為臭氧掩模形狀，控制光程;再在Ⅱ區(qū)選用另一單峰紫外線大面積均勻曝光，氧氣區(qū)不吸收紫外對樹脂曝光完成固化，同時臭氧吸收本紫外線轉(zhuǎn)化為氧氣，回到起始狀態(tài)，如此循環(huán)實現(xiàn)高效掩模制造，如圖9所示。

依據(jù)這一光化學(xué)原理，該團隊提出基于雙紫外臭氧掩膜制造新方法，方法是用高透紫外材料（如鍍膜石英玻璃）構(gòu)建純氧氣封閉體隔絕氧氣與其他空氣接觸（圖10（a）），先選用Ⅰ區(qū)紫外線（I<200 nm）照射氧氣快速生成（微秒內(nèi)完成）臭氧掩膜版形狀（圖10（b））;間隔毫秒后，再選用Ⅱ區(qū)紫外光Ⅱ?qū)Ψ忾]體整體曝光（圖10（c）），此時，臭氧區(qū)對紫外線Ⅱ（215～295 nm）能強烈吸收。

快速轉(zhuǎn)化回氧氣（微秒內(nèi)完成）使其無法通過起到掩膜作用，同時紫外線Ⅱ可通過氧氣區(qū)實現(xiàn)對樹脂的固化（圖10（d）），控制好雙紫外線Ⅰ、Ⅱ參數(shù)與封閉體參數(shù)（譬如高度、氧氣密度、冷卻條件）協(xié)調(diào)關(guān)系;樹脂固化后封閉體又回到純氧氣初始狀態(tài)（圖10（e）能態(tài)有改變，可采取冷卻等措施），形成臭氧穩(wěn)態(tài)掩膜工作機制。如此可將大面積固化（需要大光功率）的任務(wù)，轉(zhuǎn)由非DMD光路完成，有效提升大面積光固化制造能力。從光化學(xué)理論看，短紫外線Ⅰ比紫外線Ⅱ具有更高的能量，在光反應(yīng)中Ⅰ的光量子產(chǎn)量也高于Ⅱ，因此在臭氧生成的環(huán)節(jié)，并不需要I具有很大的照度，即可在臭氧消失環(huán)節(jié)與II曝光的強度相抵消。也就是說，借助臭氧掩膜方式實現(xiàn)紫外固化能力的放大—即起到能量倍增器的作用，即使在大面積固化樹脂需求高光通量的情形下，也可通過持續(xù)提供低密度的紫外光I，來保證樹脂需求的曝光量，這樣就可以借助低傳輸能力的光器件，實現(xiàn)大面積的層累加。

該方法依據(jù)Chapman臭氧循環(huán)理論[33]，實現(xiàn)的機械、化學(xué)、物理過程包含復(fù)雜的協(xié)同機制。用于傳統(tǒng)紫外印刷固化工藝，可以替代鋁合金制版工序，其環(huán)保性對減少制版材料消耗、減少環(huán)境污染有實用價值。通過本方法的探索，有望建立雙紫外臭氧動態(tài)掩膜協(xié)調(diào)曝光固化模型、形成設(shè)計計算準(zhǔn)則，以此為基礎(chǔ)可形成新的原型制造方法，為提高大面積高效制造提供潛在的解決途徑，對大尺度零件原型高效制造和快速制造方法的探索具有重要意義。

該技術(shù)可以改進之處有：①使用的2種光源Ⅰ區(qū)波段屬于真空紫外光，Ⅱ區(qū)波段屬于短波紫外光，波長越短在成形過程發(fā)熱量越大，可與HARP技術(shù)融合可形成新的技術(shù)方案;②根據(jù)光制造波長與可加工精度理論，可有效提高制件精度，理論構(gòu)建出納米制造方案，但對算法控制要求較高，需要對算法進一步開發(fā);③大尺寸高速對樹脂的匹配要求高，體系引發(fā)劑的譜線匹配有精準(zhǔn)度要求。

2 分析討論

光固化制造技術(shù)要形成工業(yè)化應(yīng)用，必須解決原型工程應(yīng)用的一系列問題。以成熟的點累加立體光刻技術(shù)為例，30多年來已解決了它的關(guān)鍵器件-紫外激光器、f-θ掃描振鏡，設(shè)備構(gòu)型-制件尺度、精度、系統(tǒng)軟件以及對應(yīng)材料體系-不同應(yīng)用場景的性能指標(biāo)等?？蛻粼u價技術(shù)的指標(biāo)排序一般為速度、質(zhì)量、成本。SLA受成形速度限制，企業(yè)為滿足客戶需求，有的不得不采購大量臺設(shè)備全天候運行來制造產(chǎn)品原型。

從光制造材料的固化機理上看，自由基光固化最快、收縮大、制件表面的氧阻聚效應(yīng)影響制件表觀質(zhì)量，陽離子和混雜性樹脂能有效提升原型質(zhì)量。影響SLA和傳統(tǒng)DLP制造速度的最大因素有2個：①點累加精度高與效率低的固有矛盾;②層累加等待時間。

圍繞以上速度制約因素，將上述7種前沿高速光固化AM技術(shù)涉及的科學(xué)依據(jù)、技術(shù)原理、新材料面臨的問題、關(guān)鍵技術(shù)和工程應(yīng)用等問題，進行簡要剖析、討論，見表1。由分析可知，高速光固化在制造方法上已取得顛覆性進展，雖然它們大多還只停留在實驗室階段，要真正進入實際工程的應(yīng)用，還存在設(shè)備匹配材料、復(fù)雜工藝條件耦合、可靠性、成熟性等諸多技術(shù)問題。

名稱科學(xué)依據(jù)技術(shù)原理創(chuàng)新點與其面臨的材料、技術(shù)問題CLIP利用氧阻聚原理形成死區(qū)，構(gòu)建無回合等待時間的DMD面成形方案該技術(shù)創(chuàng)造性地利用氧阻聚原理，消除了傳統(tǒng)DMD成形中對效率影響最大的層間固化-回合等待-累加時間，極大地提高了制造效率。新方法產(chǎn)生了以下問題：①死區(qū)氣液固物性邊界動態(tài)變化，累加層厚動態(tài)變化、層間累加可靠性差;②大面積阻聚補氧困難，打印實心的原型需降速;③高速帶來層間樹脂必須高速補充引發(fā)出新問題，比如液態(tài)填充負(fù)壓效應(yīng);④如何有效通過數(shù)學(xué)建模預(yù)測方式，來解決上述可靠、穩(wěn)定工藝問題;⑤目前工業(yè)中量產(chǎn)樹脂多為混雜型，專用自由基樹脂開發(fā)需解決工藝適配性問題DWL-DWP利用雙波長光源，分別起固化和抑制作用，形成抑制固化層，構(gòu)建新方案本方法在CLIP基礎(chǔ)上，利用光擬制劑代替死區(qū)，解決了成形依賴大劑量氧氣、自由基固化樹脂的唯一性。產(chǎn)生了新的問題：①光抑制劑有效性需選擇特定單體，單體物化性能影響樹脂體系粘度、機械性能指標(biāo);②高濃度抑制劑本身增加了材料雜質(zhì)含量，同時氧阻聚效果導(dǎo)致樹脂延遲固化和性能改變;③藍光引發(fā)光量子少，對應(yīng)樹脂需定向研發(fā)、驗證性能HARP利用氟化液體與光敏樹脂不混溶，形成固液滑移邊界，構(gòu)建新方案。該方法在CLIP和DWL-DWP基礎(chǔ)上，引入流動非固化層散熱，能有效解決前兩者的機理缺陷，同時解決了高速光固化產(chǎn)出大熱量對制件質(zhì)量的影響。帶來問題如下：①制件平面精度取決于DMD分辨率和投影尺度，受DMD傳輸光譜、能量限制，高速指標(biāo)受制于控光器件能力;②高速垂直運行受到低粘度和低收縮性樹脂可用性的限制，需要開發(fā)匹配工藝的的光敏樹脂，并解決應(yīng)用性能需求FP-TPL在DMD數(shù)字微鏡設(shè)備基礎(chǔ)上，結(jié)合飛秒投影的并行雙光子光刻制造方案引用傳統(tǒng)雙光子微納成形消除了層間材料填充問題。該方法在DMD和雙光子微納加工的基礎(chǔ)上，利用飛秒激光完成百萬光斑并行制造方案，在樹脂微納三維光制造極具高速性。同時具有以下特征：①飛秒激光對光學(xué)器件精度、可靠性要求較高;②同時投影百萬個光斑，對控制系統(tǒng)要求高，需要進一步開發(fā)新的控制算法DUO-BM采用Chapman臭氧循環(huán)理論，構(gòu)建臭氧掩模版，構(gòu)建大功率面曝光新方案本方法：①真空紫外形成掩模，II區(qū)短波紫外固化，成形過程發(fā)熱量大，和HARP融合可形成新的技術(shù)方案;②根據(jù)光制造波長與可加工精度理論，可有效提高制件精度，理論構(gòu)建出納米制造方案，但對算法控制要求較高，需要對算法進一步開發(fā);③大尺寸高速對樹脂的匹配要求高，體系引發(fā)劑的譜線匹配有精準(zhǔn)度要求CAL利用CT圖像技術(shù)計算軸向的疊加光刻，構(gòu)建體制造新方法本方法創(chuàng)造性地將層間增材環(huán)節(jié)從雙光子方案引入而消除，從技術(shù)上首次構(gòu)建了體制造方案。盡管存在后續(xù)問題，瑕不掩瑜，從制造方法上具有顛覆性，首次構(gòu)建了體制造物理系統(tǒng)：①成型精度有待提高;②對一些內(nèi)部空心的形狀需研究工藝對策;③參數(shù)控制、算法及其可靠性有待提高PHOF利用多束光疊加形成數(shù)字化圖案進行曝光固化，構(gòu)建體制造新方案本方法雖然存在后續(xù)問題，它豐富了體制造方法，給出了體制造方案的多樣性：①樹脂固化后密度增加，其空間位置漂移，對成形質(zhì)量影響有待研究;②激光全息系統(tǒng)選用波長大于紫外段，聚合光量子數(shù)較少，大尺度原型需方案演化;③全息光學(xué)場系統(tǒng)構(gòu)建成本較高，需特定功能材料，選擇高端應(yīng)用場景這些問題對于各種高速3D打印技術(shù)既是面臨的挑戰(zhàn)性問題，也在引導(dǎo)著高速光固化3D打印技術(shù)的發(fā)展方向，并在其原理上催生出了新的改進技術(shù)乃至全新方案。例如，雙波長光源百倍速3D打印技術(shù)中，在不存在紫外線活性抑制劑的情況下，藍光不能引發(fā)的高轉(zhuǎn)化率問題;或者在紫外線活性抑制劑的情況下，強烈的鏈終止作用顯著降低了藍色和紫外線的轉(zhuǎn)化率不足問題，會導(dǎo)致樹脂的固化延遲。比如，LIU等在此基礎(chǔ)上，新加入紅光預(yù)照射可以進一步增強轉(zhuǎn)換，針對數(shù)值解和解析公式，給出了三波長光聚合系統(tǒng)的詳細(xì)動力學(xué)過程，為將來的三波長甚至多波長制造提供了理論依據(jù)和指導(dǎo)方法[34]。

3 結(jié) 論

高速高精光固化AM前沿技術(shù)，正朝著高精度、多尺度、高效率、任意形狀等方面發(fā)展。激光全息投影3D打印技術(shù)、飛秒投影雙光子光刻技術(shù)在高精度微納尺度會形成潛在應(yīng)用;連續(xù)液面生長技術(shù)率先實現(xiàn)連續(xù)面成型，垂直打印速度達到500 mm/h，而后連續(xù)成型又有了新的方法，雙波長光源直寫光刻技術(shù)垂直打印速度更快，達到2 000 mm/h，高速大尺寸HARP技術(shù)在Z軸高度可達4 m，實現(xiàn)了Z向大尺寸原型制造，計算軸向光刻技術(shù)更是創(chuàng)新性的實現(xiàn)體制造，雙紫外臭氧動態(tài)掩模技術(shù)是將高速和大尺寸任意形狀于一體。光固化增材制造隨著速度、精度的不斷提升，對其樹脂材料的匹配、光學(xué)器件的精度和控制算法的可靠性等均有更高的要求，由此衍生出的科學(xué)問題和工程問題仍然需要進一步的研究完善進而形成規(guī)?；氖袌鰬?yīng)用。未來以高速高精為目標(biāo)的光固化AM技術(shù)，會隨著光路器件、方法、控制算法、匹配材料等方面的進化，將會在實際應(yīng)用領(lǐng)域掀起一場革命性的技術(shù)升級。

參考文獻（References）：

[1] ECKEL Z C，ZHOU C Y，MARTIN J H，et al.Additive manufacturing of polymer-derived ceramics[J].Science，2016，351（6268）：58-62.

[2]MARTIN J H，YAHATA B D，HUNDLEY J M，et al.3D printing of high-strength aluminium alloys[J].Nature，2017，549（7672）：365-369.

[3]LI R，KIM Y S，VAN T H，et al.Additive manufacturing（AM）of piercing punches by the PBF method of metal 3D printing using mold steel powder materials[J].Journal of Mechanical Science Technology，2019，33（2）：809-817.

[4]LIU S Y，SHIN Y C.Additive manufacturing of Ti6Al4V alloy：A review[J].Materials & Design，2019，164：107552.

[5]ELAHINIA M，MOGHADDAM N S，AMERINATANZI A，et al.Additive manufacturing of NiTiHf high temperature shape memory alloy[J].Scripta Materialia，2018，145：90-94.

[6]NGO T D，KASHANI A，IMBALZANO G，et al.Additive manufacturing（3D printing）：A review of materials，methods，applications and challenges[J].Composites Part B：Engineering，2018，143：172-196.

[7]宗學(xué)文，王永信.光固化3D打印技術(shù)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2019.

[8]宗學(xué)文，曲銀虎，王小麗.光固化3D打印復(fù)雜零件快速鑄造技術(shù)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2019.

[9]侯慎健，王佟，張博.對新時代中國煤炭資源勘查工作發(fā)展思路的探討[J].西安科技大學(xué)學(xué)報，2019，39（2）：341-346.

HOU shenjian，WANG Tong，ZHANG Bo.Development of Chinas coal resources exploration in the new era[J].Journal of? Xian University of Science and Technology，2019，39（2）：341-346.

[10]曹健，黃慶享.煤炭轉(zhuǎn)型期的環(huán)境保護和綠色發(fā)展[J].西安科技大學(xué)學(xué)報，2017，37（6）：779-783.

CAO Jian，HUANG Qingxiang.Environmental protection and green development in coal transformation period[J].Journal of? Xian University of Science and Technology，2017，37（6）：779-783.

[11]KELLY B E，BHATTACHARYA I，HEIDARI H，et al.Volumetric additive manufacturing via tomographic reconstruction[J].Science，2019，363（6431）：1075-1079.

[12]SHUSTEFF M，BROWAR A E M，KELLY B E，et al.One-step volumetric additive manufacturing of complex polymer structures[J].Science Advances，2017，3：eaa05496.

[13]SHUSTEFF M，PANAS R M，HENRIKSSON J，et al.Additive fabrication of 3d structures by holographic lithography[C]//27th Annual Solid Freeform Fabrication Symposium（SFF），Austin，TX，Aug.2016：8-10.

[14]TUMBLESTON J R，SHIRVANYANTS D，ERMOSHKIN N，et al.Continuous liquid interface production of 3D objects[J].Science，2015，347（6228）：1349-1352.

[15]JANUSZIEWICZ R，TUMBLESTON J R，QUINTANILLA A L，et al.Layerless fabrication with continuous liquid interface production[J].Poceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，2016，113（42）：11703-11708.

[16]HUANG B X，HU R，XUE Z H，et al.Continuous liquid interface production of alginate/polyacrylamide hydrogels with supramolecular shape memory properties[J].Carbohydrate Polymers，2020，231：115736.

[17]MILLER A T，SAFRANSKI D L，WOOD C，et al.Deformation and fatigue of tough 3D printed elastomer scaffolds processed by fused deposition modeling and continuous liquid interface production[J].Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials，2017，75：1-13.

[18]MCGREGOR D J，TAWFICK S，KING W P.Mechanical properties of hexagonal lattice structures fabricated using continuous liquid interface production additive manufacturing[J].Additive Manufacturing，2019，25：10-18.

[19]CAUDILL C L，PERRY J L，TIAN S M，et al.Spatially controlled coating of continuous liquid interface production microneedles for transdermal protein delivery[J].Journal of Controlled Release，2018，284：122-132.

[20]HU R，HUANG B X，XUE Z H，et al.Synthesis of photocurable cellulose acetate butyrate resin for continuous liquid interface production of three-dimensional objects with excellent mechanical and chemical-resistant properties[J].Carbohydrate Polymers，2019，207：609-618.

[21]DE BEER M P，VAN DER LAAN H L，COLE M A，et al.Rapid，continuous additive manufacturing by volumetric polymerization inhibition patterning[J].Science Advances，2019，5：eaau8723.

[22]VAN DER LAAN H L，BURNS M A，SCOTT T F.Volumetric photo-polymerization confinement through dual-wavelength photoinitiation and photoinhibition[J].ACS Macro Letters，2019，8（8）：899-904.

[23]LIN J T，CHENG D C，CHEN K T，et al.Dual-wavelength（UV and Blue）controlled photo-polymerization confinement for 3D-Printing：Modeling and analysis of measurements[J].Polymers（Basel），2019，11（11）：1819.

[24]WALKER D A，HEDRICK J L，MIRKIN C A.Rapid，large-volume，thermally controlled 3D printing using a mobile liquid interface[J].Science，2019，366（6463）：360-364.

[25]AMINI S，KOLLE S，PETRONE L，et al.Preventing mussel adhesion using lubricant-infused materials[J].Science，2017，357（6352）：668-673.

[26]WONG T S，KANG S H，TANG S K Y，et al.Bioinspired self-repairing slippery surfaces with pressure-stable omniphobicity[J].Nature，2011，477（7365）：443-447.

[27]PEARRE B W，MICHAS C，TSANG J M，et al.Fast micron-scale 3D printing with a resonant-scanning two-photon microscope[J].Additive Manufacturing，2019，30：100887.

[28]SHAW L A，CHIZARI S，SHUSTEFF M，et al.Scanning two-photon continuous flow lithography for synthesis of high-resolution 3D microparticles[J].Optics Express，2018，26（10）：13543-13548.

[29]SAHA S K，WANG D，NGUYEN V H，et al.Scalable submicrometer additive manufacturing[J].Science，2019，366（6461）：105-109.

[30]HO C M B，MISHRA A，HU K，et al.Femtosecond-laser-based 3D printing for tissue engineering and cell biology applications[J].ACS Biomaterials Science & Engineering，2017，3（10）：2198-2214.

[31]張建成，王奪元.現(xiàn)代光化學(xué)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[32]廖國男，郭彩麗.周詩健.大氣輻射導(dǎo)論[M].北京：氣象出版社，2004.

[33]MITCHELL B J H，SPROULE B J，CHAPMAN C B.The physiological meaning of the maximal oxygen intake test[J].The Journal of Clinical Investigation，1958，37（4）：538-547.

[34]LIN J T，LIU H W，CHIU Y C，et al.3-wavelength（UV，Blue，Red）controlled photo-confinement for 3D-Printing：Kinetics and modeling[J].IEEE Access，2020，8：49353-49362.

收稿日期：2020-06-03?? 責(zé)任編輯：楊泉林

基金項目：

國家自然科學(xué)基金資助項目（51875452）;陜西省重點研發(fā)計劃項目（2019GY-102）

通信作者：宗學(xué)文，男，陜西西安人，博士，副教授，E-mail：zongw007@xust.edu.cn