瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）团队近日在《自然通讯》杂志发表一项突破性研究：利用断层扫描体积增材制造（TVAM）技术，能够在短短几秒内直接在金属、玻璃、微流体组件等现有物体上甚至周围构建全新结构。实验中，团队在嵌入式玻璃球周围打印出微型流体通道，在抛光钢棒上制造精密齿轮，甚至在工作中的LED表面直接构建微型透镜，标志着体积式3D打印向实际制造环境实用化迈出关键一步。
TVAM：几秒成型的体积式3D打印技术
断层扫描体积增材制造（Tomographic Volumetric Additive Manufacturing，简称TVAM）是一种基于光的3D打印技术，能够在几秒钟内制造出厘米级物体。与传统立体光刻或熔融沉积成型打印机从单一方向逐层构建物体不同，TVAM系统将预先计算好的数百个二维光图案投射到装满光敏树脂的旋转容器中，光图案在树脂内传播并沉积三维能量剂量，当局部累积光能超过阈值时触发聚合固化，所需的三维结构几乎同时在整个体积内出现，而非逐层累加。这一原理与医学CT断层扫描恰好相反，因此得名断层扫描体积增材制造。
TVAM技术由加州大学伯克利分校Hayden Taylor团队开创，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）等机构持续参与研发，曾于2023年开发出去卷积算法解决精细特征固化不足的问题，2026年LLNL更推出FlowVAM连续流系统，将零件生产率提升200倍。与传统逐层打印需要数小时甚至数天不同，TVAM把成型时间压缩到几秒到几分钟，且无需支撑结构，这一速度优势使其成为体积3D打印家族中最受瞩目的方向之一。
核心突破：在现有物体上"叠加打印"
TVAM此前的一大局限在于只能打印独立的自由物体，而实际制造环境中，新组件通常需要与现有部件集成。EPFL团队此次突破的关键，正是实现了多样化的"叠加打印"（Overprinting）场景：在LaserTVAM远心激光系统中，团队使用生物兼容树脂在现有喷嘴上直接打印出微流体灌注系统，并将嵌入树脂中的球体定位到特定图案，通过打印通道与喷嘴连接，整个过程不到三分钟；在抛光金属棒上，团队成功打印出精密齿轮，计算中充分考虑了金属棒表面的光线散射效应；在LEDTVAM非远心LED系统中，团队在现有LED上叠加打印出雕刻图案，再打印一枚附加透镜，将图案清晰投射到屏幕上；还在装满水的玻璃管表面打印微透镜，实现对管内样本的成像。
该研究最引人注目的成果之一，是在密封的预组装方形腔室内直接制造微流控通道，这彻底改变了传统微流控器件需要多部件装配、易泄漏的制造模式。这些实验覆盖了金属、玻璃、微流体组件等多种基材，证明TVAM叠加打印具备与多种材料体系集成的通用能力，为微流控、光学、医疗器械等高附加值领域的器件集成提供了全新的制造路径。
Dr.TVAM开源框架：物理光线追踪破解光线干扰难题
叠加打印面临的最大挑战，是如何精确计算光线在复杂环境中的传播方式。树脂内部已有的物体往往阻挡、散射或弯曲入射光，从而显著降低打印质量，而传统计算模型通常假设这些物体要么完全透明、要么完全不透明，这种过于简化的假设在实际制造场景中并不适用。为克服这一局限，EPFL团队开发了名为Dr.TVAM的升级版计算框架，该开源软件基于可微分的物理光线追踪技术，能够精确模拟光线在具有不同光学特性材料中的传播行为，同时优化创建所需物体所需的投影光模式。
Dr.TVAM框架全面考虑了反射、折射、散射、吸收以及任意容器形状等因素，因此能够成功地在以往会干扰打印过程的组件周围打印结构。实验表明，该框架可在几分钟内优化出高质量投影图案，在几秒内生成低质量投影，在速度、灵活性和质量上均超越现有解决方案。团队还将这一框架完全开源，使全球研究者能够复现叠加打印实验并在此基础上继续迭代，这对体积打印技术的普及具有重要的推动作用。
应用前景：从微流控到光电器件集成
叠加打印能力为体积3D打印打开了广阔的应用空间。在微流控领域，密封腔室内直接制造通道意味着无需组装、无需粘接、杜绝泄漏，生物兼容树脂与活细胞打印的结合更让器官芯片、药物筛选芯片等生物医学器件的制造变得简单可靠；在光学领域，在LED表面直接打印微透镜、在玻璃管上打印成像透镜，为光电器件的一体化封装提供了新思路；在医疗器械领域，生物兼容材料叠加打印到现有植入物或医疗器械表面，可望实现个性化功能升级。团队此前还曾利用全息体积打印技术，用一枚150毫瓦激光二极管打印出与真人耳朵尺寸相当的人耳模型，嵌入的活细胞在6天后依然保持活性并形成有组织的细胞网络。
从更大的产业视角看，体积打印家族内部也呈现出多种技术路线并行发展的态势：TVAM与计算轴向光刻（CAL）同属断层扫描路线，全息打印则通过相位控制直接生成三维光场。就在8月中旬，美国犹他大学团队还在《科学进展》发表单次曝光7.5秒成型含空腔结构的三维物体。各路线在打印速度、分辨率和设备复杂度上各有取舍，而EPFL此次在叠加打印上的突破，让体积打印从"制造独立物体"走向"与现有制造体系融合"，被认为是该技术向实际制造环境实用化的重要一步。
总结
EPFL团队通过Dr.TVAM开源计算框架攻克了光线干扰这一叠加打印的核心难题，使体积3D打印首次能够与金属、玻璃、微流体组件等现有部件无缝集成，在几秒内完成传统工艺难以实现的复杂结构制造。随着计算精度与材料体系的持续完善，体积3D打印有望在微流控、光电器件、生物医疗等高附加值领域率先实现工业化落地。
来源：中国航空报、Nature Communications、alphaXiv、新浪财经