高速高精光固化增材制造技術前沿進展

宗學文，張佳亮，周升棟，閆 丹，倪銘佑，李素麗，楊來俠，王 磊，黃紀霖，盧秉恒

(1.西安科技大學 機械工程學院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學 增材制造技術研究所，陜西 西安 710054；3.西安增材制造國家研究院有限公司，陜西 西安 710300；4.西安交通大學 高端制造裝備協同創新中心，陜西 西安 710054)

0 引 言

增材制造技術(Additive Manufacturing，AM)俗稱3D打印技術，與傳統的減材制造、等材制造不同，它是通過產品的三維數字模型，在設備加工坐標中定向、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。它可根據設計需要制造出形狀復雜、精度不同的各類原型，是一種顛覆性技術，為制造業提供了嶄新的數字化制造理念，實現了很多傳統加工方法難以制造的復雜造型，被稱為新工業革命的重要標志性技術[1]。

1986年美國的Charles W.Hull獲得了立體光刻的技術發明專利，創建了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)，最早實現了商業化應用，由此開啟了激光制造的典范。上世紀90年代美國、加拿大、以色列、歐洲先后發展了疊層實體(LOM)、激光選區燒結(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，構成了中期的快速成形技術體系，形成了90年代以來手機、汽車、發動機等復雜構型制件的支撐技術。后期科研人員以此為基礎，逐步發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合材料[6]的增材制造技術研究。

中國上世紀90年代早期，在科技部的資助下西安交通大學、清華大學、華中科技大學和北京隆源公司開展快速成形技術研究。盧秉恒團隊90年代末研發出第一臺光固化成形機，其培養的人才先后形成了陜西恒通、上海數造、中瑞科技、西安FOCUS科技等商業化技術公司、西安科技大學增材制造技術研究所等諸多企業單位，共同推進了光固化3D打印技術研發、培育、應用與社會服務推廣，形成了近30家光固化AM技術百花齊放的局面[7-8]。

光固化AM的科學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，在計算機精準控制下，把目標三維數模轉化為設備特定的控制代碼，實現材料的數字單元逐層固化累加，自動完成整個數字模型的物質重構。從單元技術要素上看，主要涉及光敏材料體系特性設計、光源器件性能、控光器件指標、精密機構構建、三維數模、系統軟件開發和累加機制規劃。

從技術成果上看，目前商業化宏尺度機型可制造數模能達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30多年的發展，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的制約，大尺寸高精度的宏納制造成為難題，即使按現有設備每天24 h達7 kg的極限制造能力，遠遠不能滿足國家三航一潛、綠色礦山等大型戰略裝備零部件開發需求[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。

本世紀初，隨著微鏡整列(Digtial Micromirror Devices，DMD)、液晶等控光器件的成熟，產生了可同時進行數百萬微光點并行累加的面成形光固化技術，出現了雙光子微納加工，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技術進展，結合公布的實驗研究和新功能光敏材料制造成果，展現該技術的潛在應用場景，討論了高速高精光固化AM技術發展方向及趨勢。

1 高速光固化AM技術研究進展

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

CAL是KELLY等人于2019年初在《Science》上發表的一種技術，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、面成型直接發展到體成型方法[11]。CAL技術基于一種廣泛應用于醫學成像和無損檢測的CT圖像重建程序，將光作為一組二維圖像照射到盛有高導光液體的方形器皿中，液體中放置有持續旋轉的圓柱形高透光杯，面光束對杯中回轉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。

圖1 計算軸向光刻技術原理示意[11]Fig.1 Schematic diagram of computed axial lithography technology[11]

(1)

式中I為表示閾值的指標函數;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;Ω為容器的旋轉速率。

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

圖2 投影計算示意Fig.2 Projection calculation schematic diagram

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部空心的形狀很難使用，需要發展新的工藝結構設計方法，才能實現成型；③參數控制、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

激光全息技術是通過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字化圖案進行曝光，當光以合適的輻射功率(約10至100 mW)照射時，會在光引發劑含量約占1‰的低吸收性樹脂中完成固化，它可在1至10 s內成功地構建出完整的3D成形件結構，是一種可實現高速光固化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相交，各光束傳輸最大的能量至需要固化的樹脂體內的固化區域。由此，零件原型會在約10 s內完成原位固化，無需任何支撐結構，也無需逐層固化。其原理如圖3所示。

圖中，激光器發出532 nm光束，4-f鏡頭組L1～L2和L3～L4構成光束軸向焦斑控制光路，可正確調整光束大小照射到單相空間光調制器(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)將第三子圖像從第三正交方向引導到比色杯中。當用樣品代替M3時，顯微鏡物鏡MO和反射鏡M3有助于以降低的放大倍率，以監視圖像質量并進行曝光測試。

圖3 全息3D制造系統的光學配置原理Fig.3 Holographic volumetric 3D fabrication system schematic and example structures

該打印技術有4個關鍵部分:①光源和光束調節系統；②圖案成型系統；③圖案投影-傳輸系統；④光敏樹脂匹配。這種方法通過3D全息光學場驅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結構，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，成形質量缺乏保障手段；②從原理上看，激光全息系統選擇波長大于紫外段，可傳輸光量子數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全息光學場系統構建成本較高，如有適配材料，需選擇特定應用場景。

1.3 連續液面生長(continuous liquid interface production，CLIP)技術

CLIP技術是一種基于數字微鏡陣列(DMD)實現掩模固化方法，利用光敏樹脂在常溫下的氧阻聚效應，研發出的一種新型高速光固化技術。由Carbon3D公司TUMBLESTON等人于2015年3月在《Science》正式發表，這種技術一經刊出就引起業內科研人員高度關注[14-15]。其氧阻聚效應實現的方法是，通過在紫外線曝光的樹脂液面上設置一層透氧膜(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，這樣在當前層固化時，從累加基準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(稱為死區，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MIP光固化技術的原型-膜分離環節，液態樹脂可快速進入層厚間隙，實現了連續液面打印。其原理如圖4所示。

圖示中的“死區”厚度(dead zone thickness，TDz)與入射光子通量(Φ0)，樹脂比例常數(C)，光引發劑吸收系數(αPI)和樹脂固化劑量(Dc0)有關，并有以下的理論關系

圖4 連續液面生長技術原理[14]Fig.4 Schematic diagram of continuous liquid interface production technology[14]

(2)

(3)

由于該技術沒有型-膜分離環節，省去了大量的型-膜分離的回合等待時間，其Z向最高累加速度經實驗驗證可達500 mm/h，相比于傳統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也越小，采用該技術許可的最小分層厚度能夠有效降低臺階效應提高制造精度，實現了面成形速度與精度的極大提高。

CLIP技術可使用超分子記憶材料[16]、軟彈性材料[17]、結構材料[18]和生物材料[19-20]等不同的材料，有潛力將增材制造的應用擴展到更多的科學和技術領域，并降低復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，實現穩定的界面溶氧達到阻聚閥值很困難，導致死區厚度動態變化，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系，加上①的原因，實現大面積阻聚困難，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，樹脂粘度導致高速補充困難，膜處于間歇運動狀態、層料物態影響聚合率變化，使不同層固化的收縮率、性能一致性差；④由于②的原因，阻聚層受環境影響因素復雜很難穩定，當前尋找合適的連續增材速度的方法，主要從試驗和失敗的實驗中獲得的經驗知識，如何通過數學建模的方式來確定適當的連續打印速度才能高效、可靠、連續地打印零件；⑤氧阻聚材料屬于自由基聚合，收縮率大難以滿足工業化需求，而目前工業中量產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

該技術是由密歇根大學的MARTIN和HARRY等人的研究團隊，于2019年開發出的新方法，它使用2種不同波長光源實現連續打印目標，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域，誘發樹脂體系中抑制劑活性激發，從而實現類似于CLIP工藝中的氧阻聚區。其原理如圖5所示[21-22]。

圖5 雙波長光源直寫光刻技術原理示意[21-22]Fig.5 Schematic diagram of dual-wavelength lights direct-write photolithography technology principle[21-22]

由于采用光激發抑制的方法，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，并符合如下的函數關系式

(4)

LIN等從理論上證明，在給定的藍光強度下，沒有紫外線，較高的引發劑濃度和速率常數會導致較高的轉化率，這取決于k[gB1C1]0.5的縮放定律[23]。該打印技術通過雙波長抑制層的方法，解決了CLIP技術中固化面積較大時，連續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短誘導固化，其本身不僅增加了雜質含量、同時還需要一定的氧氣，這會導致樹脂延遲固化和性能改變；③對于藍光照射下高轉化率固化的樹脂研發不足。

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

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

x是待優化的相機內外參數，c是代價函數，L是損失函數。對于重構過程中的優化調整，代價函數為點云中三維點通過相機內外參數計算投影到圖像的像素坐標與該三維點所對應實際像素坐標之間的差值，由于c的返回值為一個表示誤差的向量（圖像齊次坐標差值），故取該向量的2范式作為總體的代價。而最小化這個誤差則可視作是一個優化相機內外參數和點云數據的過程。設Ki，[Ri|Ti]分別表示圖像i的內參矩陣和外參矩陣[8]，點云中某點三維坐標為Pj，并與之在圖像上對應像素坐標，投影誤差則表示為式（15）

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建區域的界面粘合，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(即靜態與動態)，并生成了固液滑移邊界。使油通過熱交換器再循環，以冷卻或加熱構建區域并在整個打印床上保持恒溫控制。成功解決CLIP技術中氣態不能迅速散發所產生熱量的問題，可以生產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性質均兼容，從而擴大了適用樹脂和所得材料的范圍。

圖6是HARP連續3D打印技術的移動界面的流程概況。(a)從HARP 3D打印機出現的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據點，連續線來自分析模型。(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。

圖6 高速大尺寸技術原理Fig.6 Schematic diagram of high-area rapid printing technology principle

盡管HARP打印技術具有連續打印、大面積、散熱性好、打印材料兼容性好的優點，其進一步發展存在以下需要改進的內容：①開發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系統；②高速垂直運行的立體光刻系統由于速度快，仍然會受到低粘度和低收縮性樹脂的可用性的限制，需要開發可用于產生具有工業相關性能、分子結構的光敏樹脂。

1.6 飛秒投影雙光子光刻微納(femtosecond pro-ject two-photon lithography，FP-TPL)技術

FP-TPL技術由雙光子光刻(Two-photon lithography，TPL)發展而來，是一種基于DMD數字微鏡設備基礎上，結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雜的3D結構。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[27]，FP-TPL技術將打印速度提高2～3個數量級[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CHEN團隊合作提出了通過超快激光打印亞微米結構的技術[28]。

飛秒投影雙光子光刻通過數字微鏡設備(DMD)的標準光柵狀組件，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控光來實現時域聚焦。在時間聚焦期間，預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超薄且均勻的飛秒光片和優化的體素長寬比，在大面積上一致且可靠地打印了亞微米3D結構。

在圖7中，(a)使用數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)內的印刷平面(Print plane)上。通過飛秒(Femtosecond，fs)激光的短時聚焦產生強的強度梯度，可以將打印層厚度限制在小于1 mm之內。圖中L1是指準直透鏡，L2是指物鏡，飛秒脈沖在通過光學系統時會被拉伸和壓縮，以實現時間聚焦。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設置為類似4f的光學裝置，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(構建)平面上獲得，I為激光強度，t為時間。

圖7 飛秒投影雙光子光刻微納技術的原理示意圖Fig.7 Femtosecond projection TPL based on spatial and temporal focusing

該技術從投影機制上實現了與TPL不同的新方法，它可以在很寬范圍內控制連續投影特征的大小，在成型底板上產生的特征尺寸與光學參數半高全寬(full width at half maximum，FWHM)的關系如圖8所示。

圖8 FP-TPL的納米級分辨率印刷納米線Fig.8 Printed nanowires demonstrating nanoscale resolution of FP-TPL

該技術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并行制造，對控制系統要求高，需要進一步開發新的控制算法。

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

雙紫外臭氧動態掩模3D打印技術是西安科技大學宗學文團隊于2014年提出的臭氧掩膜新方法，其工作的科學依據—Chapman臭氧循環理論[31]。氧氣的紫外吸收譜區(Ⅰ區波段)主要在175～200 nm之間，稱之為舒曼-容格帶。臭氧的吸收譜帶(Ⅱ區波段)稱為哈特萊帶，它的作用范圍大約在200～300 nm區間，譜帶的中心為255.3 nm[32]，利用紫外準分子光源，高能波長短、常溫高效的特點，先在Ⅰ區選用單峰紫外線將氧氣轉化為臭氧掩模形狀，控制光程；再在Ⅱ區選用另一單峰紫外線大面積均勻曝光，氧氣區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化為氧氣，回到起始狀態，如此循環實現高效掩模制造，如圖9所示。

圖9 Chapman臭氧循環理論Fig.9 Chapman ozone cycle theory

依據這一光化學原理，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區紫外線(I<200 nm)照射氧氣快速生成(微秒內完成)臭氧掩膜版形狀(圖10(b))；間隔毫秒后，再選用Ⅱ區紫外光Ⅱ對封閉體整體曝光(圖10(c))，此時，臭氧區對紫外線Ⅱ(215～295 nm)能強烈吸收。

圖10 雙紫外臭氧掩膜流程示意Fig.10 Schematic diagram of dual-ultraviolet ozone dynamic mask process

快速轉化回氧氣(微秒內完成)使其無法通過起到掩膜作用，同時紫外線Ⅱ可通過氧氣區實現對樹脂的固化(圖10(d))，控制好雙紫外線Ⅰ、Ⅱ參數與封閉體參數(譬如高度、氧氣密度、冷卻條件)協調關系；樹脂固化后封閉體又回到純氧氣初始狀態(圖10(e)能態有改變，可采取冷卻等措施)，形成臭氧穩態掩膜工作機制。如此可將大面積固化(需要大光功率)的任務，轉由非DMD光路完成，有效提升大面積光固化制造能力。從光化學理論看，短紫外線Ⅰ比紫外線Ⅱ具有更高的能量，在光反應中Ⅰ的光量子產量也高于Ⅱ，因此在臭氧生成的環節，并不需要I具有很大的照度，即可在臭氧消失環節與II曝光的強度相抵消。也就是說，借助臭氧掩膜方式實現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，實現大面積的層累加。

該方法依據Chapman臭氧循環理論[33]，實現的機械、化學、物理過程包含復雜的協同機制。用于傳統紫外印刷固化工藝，可以替代鋁合金制版工序，其環保性對減少制版材料消耗、減少環境污染有實用價值。通過本方法的探索，有望建立雙紫外臭氧動態掩膜協調曝光固化模型、形成設計計算準則，以此為基礎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。

該技術可以改進之處有：①使用的2種光源Ⅰ區波段屬于真空紫外光，Ⅱ區波段屬于短波紫外光，波長越短在成形過程發熱量越大，可與HARP技術融合可形成新的技術方案；②根據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；③大尺寸高速對樹脂的匹配要求高，體系引發劑的譜線匹配有精準度要求。

2 分析討論

光固化制造技術要形成工業化應用，必須解決原型工程應用的一系列問題。以成熟的點累加立體光刻技術為例，30多年來已解決了它的關鍵器件-紫外激光器、f-θ掃描振鏡，設備構型-制件尺度、精度、系統軟件以及對應材料體系-不同應用場景的性能指標等。客戶評價技術的指標排序一般為速度、質量、成本。SLA受成形速度限制，企業為滿足客戶需求，有的不得不采購大量臺設備全天候運行來制造產品原型。

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影響制件表觀質量，陽離子和混雜性樹脂能有效提升原型質量。影響SLA和傳統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技術涉及的科學依據、技術原理、新材料面臨的問題、關鍵技術和工程應用等問題，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用，還存在設備匹配材料、復雜工藝條件耦合、可靠性、成熟性等諸多技術問題。

表1 7種方法的科學依據技術原理與工程問題比較

這些問題對于各種高速3D打印技術既是面臨的挑戰性問題，也在引導著高速光固化3D打印技術的發展方向，并在其原理上催生出了新的改進技術乃至全新方案。例如，雙波長光源百倍速3D打印技術中，在不存在紫外線活性抑制劑的情況下，藍光不能引發的高轉化率問題；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化率不足問題，會導致樹脂的固化延遲。比如，LIU等在此基礎上，新加入紅光預照射可以進一步增強轉換，針對數值解和解析公式，給出了三波長光聚合系統的詳細動力學過程，為將來的三波長甚至多波長制造提供了理論依據和指導方法[34]。

3 結 論

高速高精光固化AM前沿技術，正朝著高精度、多尺度、高效率、任意形狀等方面發展。激光全息投影3D打印技術、飛秒投影雙光子光刻技術在高精度微納尺度會形成潛在應用；連續液面生長技術率先實現連續面成型，垂直打印速度達到500 mm/h，而后連續成型又有了新的方法，雙波長光源直寫光刻技術垂直打印速度更快，達到2 000 mm/h，高速大尺寸HARP技術在Z軸高度可達4 m，實現了Z向大尺寸原型制造，計算軸向光刻技術更是創新性的實現體制造，雙紫外臭氧動態掩模技術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，由此衍生出的科學問題和工程問題仍然需要進一步的研究完善進而形成規模化的市場應用。未來以高速高精為目標的光固化AM技術，會隨著光路器件、方法、控制算法、匹配材料等方面的進化，將會在實際應用領域掀起一場革命性的技術升級。