在傳統(tǒng)3D打印仍在為毫米級的層層堆積耗費數(shù)小時甚至數(shù)天之時，一項名為體積3D打印（Volumetric Additive Manufacturing,VAM）的技術正以"秒速成型"的驚人能力整個制造業(yè)。這項技術無需逐層堆積，能夠在幾秒到幾十秒內(nèi)一次性制造出厘米級尺寸的物體，代表了增材制造領域的一次真正革命。

3D體積打印技術原理：從層層堆疊到整體成型

體積3D打印的核心原理突破了傳統(tǒng)3D打印的思維框架。它不像傳統(tǒng)技術那樣逐層堆積材料，而是通過在透明容器中投射動態(tài)光圖案或聲場能量，使光敏樹脂或?qū)Ｓ貌牧显谌S空間內(nèi)特定區(qū)域同時固化。

目前主要有兩種技術路徑：基于光的體積打印（包括光學斷層掃描、多光束疊加和光片基打印）和基于聲場的體積打印。光學方法通過從多個角度投影預計算的2D光模式，重建目標3D光劑量分布；而聲學方法則利用聚焦超聲波的穿透能力，在不透明材料深處引發(fā)聚合反應。

這種技術差異使得體積打印能夠克服傳統(tǒng)逐層制造的諸多限制，特別是對于高粘度樹脂、含有不透明成分的材料以及活細胞生物材料的處理上表現(xiàn)出優(yōu)勢。

3D體積打印顯著優(yōu)勢：

體積3D打印最引人注目的優(yōu)勢是其驚人的生產(chǎn)速度。傳統(tǒng)3D打印可能需要數(shù)小時完成的工作，VAM只需幾十秒就能完成，厘米級物體的打印時間可縮短至約12.5秒，同時保持20-80微米的分辨率。

除了速度優(yōu)勢外，這項技術還具有諸多價值：

•無層打印：消除了傳統(tǒng)3D打印的層間界面問題，提高了產(chǎn)品的整體性和機械性能

•高設計自由度：能夠制造傳統(tǒng)方法難以實現(xiàn)的復雜結(jié)構(gòu)、懸垂結(jié)構(gòu)和空腔，且無需支撐結(jié)構(gòu)

•材料多樣性：可處理高粘度樹脂、彈性體、環(huán)氧樹脂等傳統(tǒng)難以打印的材料

•生物兼容性：特別適合細胞負載水凝膠的打印，細胞存活率超過85%

 

3D體積打印技術極大地擴展了可打印材料的范圍，包括：

•高性能聚合物：丙烯酸酯和彈性體用于個性化助聽器、牙科矯正器；正交環(huán)氧-丙烯酸酯配方實現(xiàn)空間控制的剛度變化；可調(diào)剛度硫醇-烯和形狀記憶泡沫

•陶瓷與玻璃：聚合物衍生陶瓷通過熱解轉(zhuǎn)化為耐高溫、耐腐蝕的SiOC陶瓷；二氧化硅納米復合玻璃分辨率達50微米，表面粗糙度Ra僅6nm

•生物材料：明膠基水凝膠用于細胞負載生物制造；絲素蛋白在保持細胞高活性的同時實現(xiàn)復雜結(jié)構(gòu)打印

3D體積打印技術正在多個領域展現(xiàn)出巨大潛力：

光學元件制造：對表面光滑度有要求的領域，體積打印能夠制造高質(zhì)量微透鏡陣列和毫米級光學元件，實現(xiàn)低于1nm的均方根表面粗糙度。

軟機器人和可移動部件：無層增材制造提供了更高的設計自由度，可以制造柔軟、可變形材料，進一步拓展實現(xiàn)4D體積打印，制造功能材料如壓電材料、導電、熱反應材料等。

生物醫(yī)學工程：這是體積打印前景的應用領域之一。體積生物打印利用技術的非接觸式和高速特性，處理活細胞結(jié)構(gòu)，開發(fā)模擬人體組織結(jié)構(gòu)復雜性的先進體外模型和功能植入體。哈佛大學醫(yī)學院使用深穿透聲學體積3D打印技術，實現(xiàn)了穿透厘米深度的生物組織打印，可用于從骨愈合到心臟瓣膜修復等生物醫(yī)學目的。