前沿佳作丨顶刊文献！DLP光固化打印工艺大比拼：大幅面3D纳米打印、灰度打印、多轴打印等

近年来，随着超构光学、机器学习、材料化学与运动控制等跨学科技术的深度融合，光固化打印正迎来一系列突破性进展。本文精选了五篇顶刊研究，系统介绍从大幅面纳米并行光刻、智能灰度梯度打印、高效工艺筛选方法，到可降解支撑体系与多轴动态切片等多个前沿方向的最新突破，为光固化技术的未来发展提供重要参考与启示。

 

 

本期主要内容：

Nature（IF=48.5）打印分辨率和打印速度兼得，超透镜阵列实现大面积无拼接3D纳米打印

Advanced Materials（IF=26.8）灰度数字光处理3D打印实现高性能梯度材料的精准制造与优化

Angewandte Chemie International Edition（IF=16.9）DLP 3D打印中，如何快速筛选材料和工艺参数用于树脂开发？

ACS Central Science（IF=10.4）双波长图案化实现可降解热固性支撑结构的一体化3D打印

Acm transactions on graphics（IF=9.5）告别“千层饼”式的堆叠，从切片算法上实现多轴3D打印

 

#01 3D nanolithography with metalens arrays and spatially adaptive illumination

 

 

传统三维双光子光刻（TPL）技术受限于物镜视场，无法实现大面积、高效率的并行加工，制约了其在宏观结构与高产量制造中的应用。本研究提出了一种基于超构光学阵列的并行三维纳米光刻平台，利用金属透镜阵列生成超过12万个可独立调控的焦点，实现厘米级写入区域内的并行双光子聚合。

 

 

该系统的核心创新包括：采用高数值孔径、非成像金属透镜阵列突破视场限制；结合空间光调制器实现每个焦点的灰度光强调控，从而精确控制线宽与结构特征；并通过短距离扫描与自适应打印路径规划，显著降低拼接缺陷。

 

 

此外，研究还提出了一种自适应元光刻策略，能够高效打印半周期及非周期三维几何结构，为复杂功能器件的快速制造提供了新途径。该技术不仅展示了在机械超材料力学性能研究、太赫兹光子器件等领域的应用潜力，也为实现晶圆级三维纳米制造奠定了坚实基础，有望推动微电子、生物医学、量子技术与高能激光靶材等领域的材料与器件发展。

 

论文链接：doi.org/10.1038/s41586-025-09842-x

 

 

#02 Machine Learning-Driven Grayscale Digital Light Processing for Mechanically Robust 3D-Printed Gradient Materials

 

传统灰度数字光处理（g-DLP）技术在光固化树脂的性能可调范围及复杂几何结构优化方面存在局限，限制了其在机械强韧部件制造中的应用。本研究提出了一种机器学习驱动的灰度数字光处理（g-DLP）策略，用于制造具有优异机械性能的三维打印梯度材料。

 

 

在材料层面，研究开发了基于PUA的树脂体系，通过调节含动态二硫键的聚氨酯丙烯酸酯（PUSA）与羟基乙基丙烯酸酯基聚氨酯丙烯酸酯（HUA）的比例，实现了弹性模量从8.3 MPa到1.2 GPa的宽幅可调，同时保持了良好的阻尼性能。在结构设计层面，研究构建了基于贝叶斯优化的多目标机器学习框架，以应变集中因子和有效刚度为优化目标，通过贝塞尔曲线生成梯度分布函数，实现了对二维及三维复杂几何结构的梯度优化设计。

 

 

实验结果表明，优化后的梯度结构在星形孔单元中应变集中降低了约49%，疲劳寿命延长至5800次循环；在圆形孔单元中，梯度结构的韧性较均匀结构提升了约60%~91%。

 

 

该研究通过材料-结构一体化的协同设计策略，为g-DLP技术在高性能定制化制造中的应用提供了新路径，尤其在生物医学植入体、柔性电子、汽车吸能结构等领域展现出广阔潜力。

 

论文链接：doi.org/10.1002/adma.202504075

 

 

#03 Angewandte Chemie International Edition：Step Test for Rapid Screening of Material and Process Parameters for Resin Development in DLP 3D Printing

传统DLP打印在新树脂开发过程中，参数优化常依赖耗时的试错法或仅能在非真实打印条件下进行的Jacob工作曲线测试，难以同步评估层厚、曝光能量与时间等多参数组合，且对慢固化或弹性树脂误差较大。为此，本研究提出一种用于DLP 3D打印中树脂材料与工艺参数快速筛选的高效阶梯测试方法，可在单次打印中同步评估24组参数组合。通过设计具有阶梯间隙的测试结构，结合简单的光学视觉评估，即可快速、可靠地确定树脂的最佳打印窗口。

该测试方法首先通过点测试获取Jacob工作曲线，初步估算树脂的固化深度与反应性；随后在真实打印平台上进行阶梯测试，结构包含4种层厚（25、50、75、100 μm）与6种曝光时间，阶梯间设有400 μm间隙以便直观区分欠固化、正常固化与过固化。通过视觉检查阶梯边缘清晰度、间隙是否闭合及表面机械稳定性，即可对每组参数进行质量评定。

 

 

此外，研究还通过添加光吸收剂验证了该方法对树脂吸光性变化的敏感性，表明其能够可靠反映材料改性对工艺窗口的影响。

 

 

该阶梯测试具有操作简便、高效通用、设备要求低等优点，不仅适用于商业树脂的工艺优化，也为生物基与功能化树脂的快速开发提供了标准化筛选工具。该方法可进一步推广至其他基于光聚合的打印技术（如SLA、双光子聚合），为加速材料从配方设计到打印应用的转化提供了重要支持。

 

论文链接：doi.org/10.1002/anie.202504154

 

 

#04 Dual-Wavelength Simultaneous Patterning of Degradable Thermoset Supports for One-Pot Embedded 3D Printing

传统光固化打印中，复杂悬垂结构需额外支撑，常导致材料浪费、后处理繁琐及表面损伤。

 

 

本研究设计了一种酸酐基丙烯酸酯网络（可降解支撑）的热固性材料，集成环氧网络（永久结构），通过定制双波长负成像DLP系统，利用紫外光（365 nm）固化环氧主体，可见光（405 nm）同步固化可降解支撑，仅使用单个数字微镜器件即可实现像素级波长选择，将打印时间减少约50%。

 

 

该可降解热固性支撑仅需20wt%的丙烯酸酯含量，使环氧网络占比达80%，显著提高了最终零件的力学性能与结构完整性。支撑材料在碱性水溶液中可快速降解，且降解产物无毒，符合绿色化学原则。实验成功打印了互锁环、笼中球等复杂悬空结构，验证了该方法对几何约束的突破能力。该技术为光固化打印提供了高效、环保的支撑解决方案，扩展了可打印结构与材料的范围。

 

论文链接：doi.org/10.1021/acscentsci.5c00337

 

 

#05: Curve-Based Slicer for Multi-Axis DLP 3D Printing

传统DLP 3D打印虽然具备高分辨率与高打印速度的优势，但其单轴垂直堆叠方式常需为悬垂结构添加大量支撑，不仅造成材料浪费和后处理困难，还易引起表面损伤。为此，研究团队将多轴运动能力引入DLP系统，通过动态调整打印平面的方向，实现无需支撑或最小化支撑的复杂几何制造。

 

 

该方法的核心创新在于将切片问题转化为轨迹优化问题，使用参数化贝塞尔曲线表示打印平台的运动轨迹，并以其切平面动态定义每一打印层。通过引入Bishop框架描述局部坐标系，并结合灰度光照控制层厚，系统能够在不同区域自适应调整打印方向，同时满足无碰撞、结构连通、表面质量优化与运动平滑性等多重要求。

 

 

这项研究首次实现了在DLP 3D打印中对层方向进行连续动态优化，不仅扩展了DLP技术的几何成型能力，也为后续支持多材料、梯度性能及更高自由度的 智能打印系统奠定了算法基础。该切片框架的源代码已计划公开，有望推动多轴光固化打印向更广泛的高性能定制化制造领域发展。

 

论文链接：doi.org/10.1145/3763352

 

 

织雀®系列3D光刻设备

产品亮点：

行业领先的精度，最高光学精度1 μm

1 μm & 2 μm & 5 μm / 10 μm / 20 μm 多精度可选

速度提升5X - 50X

领先的高精度树脂、陶瓷3D光刻加工

精准驳接打印

 

 

从并行纳米制造到智能梯度材料，从高效工艺筛选到环保支撑降解，再到多轴动态成型，上述研究共同指向一个更高效、更智能、更灵活的光固化打印未来。这些突破不仅显著拓展了打印尺度、材料性能与结构自由度，更通过跨学科协同创新，为光固化技术注入了崭新的生命力。随着算法、光学、材料与装备的持续演进，光固化打印有望在高端制造、生物工程、光电集成等领域扮演更为核心的角色，推动制造业向“定制化、功能化、可持续化”方向加速迈进。