3D打印光学镜片
© Luxexcel

 更好的产品+减少浪费

Luxexcel是通过3D打印技术制造光学产品的企业，2017年Luxexcel的3D打印镜片就通过了ISO质量检测，达到了ISO质量标准。意味着3D打印光学镜片的质量与传统镜片是不相伯仲的，同时也为3D打印光学产品在市场上的普及奠定了基础。

3D打印光学镜片的逻辑
© 3D科学谷白皮书

Luxexcel采用独有的专利技术Printoptical技术进行光学产品3D打印，该技术的成型原理并非“层层叠加”，而是“连续不断地挤出极微小的材料液滴，然后通过紫外光固化”，所以不会形成分层，造出的光学产品无需抛光或研磨就能直接使用。Luxexcel公司已经建成了一个工业级3D打印平台，可以制造单片镜、双光镜、棱镜等各种镜片，这些产品已全部通过了ISO质量检测，符合相关ISO质量标准。

3D打印光学镜片
© Luxexcel

根据3D科学谷的市场观察，Luxexcel重要的合作伙伴是Lambda Research，Lambda Research主要开发基于光学设计和照明的软件，包括其旗舰产品TracePro软件。TracePro软件可以共同帮助光学设计师为每一个项目设计最佳的解决方案, 这能使光学设计师完全控制光强分布，确保速度和降低项目成本。Luxexcel通过将这些技术结合在一起，其目的是实现塑料材质光学组件的“大规模定制”，包括带纹理的透镜，可以严格根据规范创建。

一旦设计完成，即可导出为CAD文件并交由LUXeXcel公司3D打印出来。LUXeXcel打印的使用TracePro中的纹理优化功能，通过纹理和深度的调整，开发人员可以设计在整个阵列中创造漫射光。TracePro软件可以把LUXeXcel材料整合到其设计考虑范围中，因此，设计人员可以预见到材料品质将如何影响产品的光输出。整个迭代过程被缩短到几天之内完成，无论制造成本和交货周期都大幅缩短。创造的透镜阵列可以提供随机均匀的光输出，无论是透过阵列的光，还是反射出去的光。通过改变纹理，使强光区被削弱，而弱光区由则获得来自强光区的光的增强来实现的。

 智能眼镜

通过镜片专用3D打印设备、材料、软件以及光学领域的专业知识，为智能眼镜市场提供镜片生产解决方案，Luxexcel强势进入了与传统的注塑成型相竞争的领域。根据3D科学谷的市场判断，Meta收购Luxexcel的目的是VR或AR 功能的智能眼镜技术。目前，带有VR或AR 功能的智能眼镜其中有待改进之处是比较笨重，并且无法同时满足眼镜佩戴者矫正视力的需要。Luxexcel 公司的智能眼镜量产3D打印解决方案将能够改善这些现有问题，制造出嵌入智能功能镜片，并能够满足为日常眼镜佩戴者生产定制化智能眼镜片的需求，使这些佩戴者在使用智能眼镜时，不再需要另外佩戴视力矫正眼镜。

Luxexcel的批量生产解决方案是基于材料喷射3D打印技术的解决方案，包含专有的硬件、材料和软件。3D打印解决方案可以在塑料、玻璃等基体材料上进行3D打印，还可以满足客户的气隙要求。通过这一工艺，波导、全息胶片和LCD屏幕之类的智能设备能够在镜片制造过程中嵌入其中，成为一种集成智能功能的镜片。同时，镜片还可以根据用户的个性化镜片度数配方进行生产。由于3D打印技术无需模具的特点，一次打印中即可制造多种不同度数的镜片，这是实现智能镜片规模化定制生产的基础。

光学部件3D打印材料以双面打印的方式被打印在基体材料上。通常由于层材料的收缩，在材料固化期间, 3D打印部件不可避免的产生收缩变形。常见的应对策略是，通过前馈或反馈控制来补偿这种收缩效果，也就是在三维结构的设计中对收缩进行预补偿，或者在动态实时监控的基础上，通过调整打印过程来动态补偿物体的形状。然而，这些对策并不能消除收缩效果，而是补偿由此产生的变形。

Luxexcel 在基体材料上进行光学部件3D打印的技术可防止收缩，而无需诉诸于补偿措施。在基体材料上构建的三维结构既保留了其内部分层结构，又保留了其预期的最终形状。这一技术对于制造受到内层变形的负面影响的部件尤为重要，而光学透镜和具有嵌入式组件的需要固定几何位置的部件正是属于这类情况。

打印具有预期形状，不受变形影响的光学部件的技术，避免了由于毛细管效应而导致的预结构变形，这对于光学组件的制造特别有利。Luxexcel 的3D打印技术可以使液滴的沉积与其固化之间经过一定的时间间隔，允许液滴在重力的影响下沿与刚打印的层表面相切的方向流动，从而产生特别光滑的表面，而对于光学透镜来说，光滑度尤为重要。

在3D科学谷看来，无需庞大的库存，无需复杂的供应链，更高的产品设计自由度，以及实现定制化镜片批量生产，这是 Luxexcel通过3D打印技术为光学镜片制造行业所带来的特殊意义，也是Meta收购Luxexcel的商业价值所在。

知之既深，行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析，请关注3D科学谷发布的白皮书系列。

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谷专栏是3D科学谷内容板块：谷前沿、谷透视、谷研究、谷专栏这四大板块之一。谷专栏基于3D科学谷愿景：贡献于制造业附加值创造，贡献于人类可持续发展。其目的是通过携手科研机构、科学家、企业研发与应用团队，与业界分享对推动增材制造发展起关键作用的共性基础科研与应用成果。

以下文章来源于EngineeringForLife ，作者EFL

3D打印被认为是构建复杂3D结构的一种可持续方法。然而传统的逐点或逐层添加制造模式不可避免地产生阶梯效应，这对实现3D结构的平滑性和均匀性构成了障碍。

在本期谷.专栏分享的科研成果中，来自中科院化学研所的宋延林团队提出了一种基于数字光处理（DLP）的连续液膜约束打印方法，来制作高精度的3D结构。通过控制液-固界面和连续打印，粘附在固化结构上的液体薄膜被吸入到固化结构中，同时多余的墨水被刮掉，从而消除阶梯效应。约束液膜的形态和尺寸可以通过油墨特性和打印参数来进行调节，优化结构表面平滑度和打印保真度。

此外，连续液膜约束还可以抑制热积累和热扩散，保证较长时间的打印稳定性。制得的隐形眼镜中心厚度约135 μm，平滑度低于1.3 nm，成像分辨率高达228.1 lp/mm，具有良好的光学性能、机械强度和生物相容性，与商用隐形眼镜相当。

科研成果解析

图1 墨水配方和连续液膜约束打印方法原理示意图

如图1所示，打印墨水包括甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）、1-乙烯基-2-吡咯烷酮（NVP）和3-（三甲氧基硅基）甲基丙烯酸丙酯（KH-570），用于打印隐形眼镜，可以确保打印结构具有适当的含水量、良好的机械强度和生物相容性。在打印过程中，固化结构连续受到墨水和固化界面的限制，结构外包裹上一层液膜，通过控制约束液膜厚度，在结构不被过度覆盖的情况下，可以填充相邻层的间隙，从而消除阶梯效应，获得侧壁光滑的3D结构，并且可以绕过打印后清洗粘附墨水的步骤，提高打印效率。

如图2所示，研究人员分析了连续液膜约束打印方法消除阶梯效应的原理。连续液膜约束打印方法使未固化墨水吸入固化层结构，并填充相邻层的间隙，以消除阶梯效应和锯齿状侧壁，也可作为液体刮刀，刮掉粘附在固化结构上的多余墨水，确保结构的保真度。通过协同调节液滴直径和墨水粘度，可以将约束液膜的厚度调节至适当范围，从而实现具有光滑侧壁的3D结构的打印。此外，约束液膜还可以作为热交换界面，通过连续打印抑制固化过程中的热积累和热扩散，提高打印稳定性。

图2 连续液膜约束消除阶梯效应的原理

如图3所示，通过打印平台连续提拉，获得具有光滑侧壁的隐形眼镜，具有一定的实际应用潜力。研究人员测量了制造的隐形眼镜的光学特性，包括透射率、折射率和光学分辨率，以证明其作为光学元件的能力。溶胀后的隐形眼镜在可见光范围内显示出超过96%的优良透射率，棱镜耦合测试仪表征的膨胀结构的折射率约为1.433，与商用隐形眼镜相当。此外，溶胀后的隐形眼镜具有很高的光学成像分辨率，在可见光谱上显示出广泛而显著的光学质量，能够满足作为光学元件的要求。

图3 连续液膜约束打印的隐形眼镜的光学性能

如图4所示，研究人员进一步表征了制造的隐形眼镜的生物相容性，在浸提液中培养的人胚胎肾细胞293（HEK 293）的存活率约为91.2±0.2%，表明溶胀型隐形眼镜的浸提液具有较低的细胞毒性。在制造的隐形眼镜上接种并培养HEK 293，该结构表面上的细胞可以被冲走，几乎没有细胞粘附在结构上，表明制造的隐形眼镜足够光滑且具有良好的生物相容性。

图4 连续液膜约束打印的隐形眼镜的机械强度和生物相容性

综上所述，研究人员开发了一种连续液膜约束打印方法，以制造具有光滑侧壁的3D结构，消除阶梯效应，并大大提高z轴打印精度。在液-固界面的约束下，通过调节油墨特性和打印参数，控制液膜厚度，粘附在打印结构上的液膜可用于填充阶梯结构，并且无额外粘附，省略后清洗步骤。在较长时间的连续打印下，热积累和热扩散也会受到液膜的抑制，因此可以稳定地制造具有光滑侧壁、高光学质量、良好机械强度和生物相容性的隐形眼镜结构。

相关论文“Suppressing step effect of 3D printing for constructing contact lens”发表于杂志Advanced Materials上。(https://doi.org/10.1002/adma.202107249)

—作者—
Yu Zhang,Lei Wu,Miaomiao Zou,Lidian Zhang,Yanlin Song

Key Laboratory of Green Printing, Beijing National Laboratory for Molecular Sciences (BNLMS), Institute of Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100190 P. R. China

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隐形眼镜的制备方法复杂、耗时，且依赖于昂贵的抛光与研磨工艺。3D打印采用无模具自由成形原理来构造三维结构，可用于简便、快速及按需制备隐形眼镜。然而，台阶效应限制了3D打印隐形眼镜结构的发展，降低了Z轴打印精度，并使得打印结构表面粗糙，性质各向异性，无法满足高清晰成像的要求。因此，抑制台阶效应对于3D打印技术在光学结构中的实际应用具有重要意义。

近年来，中国科学院化学研究所绿色印刷实验室宋延林课题组在低粘附连续3D打印领域开展了系统研究，先后利用仿生超润滑固化界面来减少固化树脂与固化界面之间粘附，实现了连续、单墨滴3D打印（Research、Nat. Commun.、Nat. Commun.）。

近日，该课题组提出了一种基于数字光处理（DLP）技术的连续液膜限制的3D打印策略，消除了逐层打印过程中出现的台阶效应，实现了高精度3D结构的制备。在连续打印过程中，附着在固化结构外的液膜始终受到固-液界面的限制。该液体树脂-固化结构界面的限制作用增强了未固化的液体树脂吸入并填充于相邻图案层之间的间隙，以消除台阶效应；亦可作为液体刮刀刮除固化结构外包覆的多余树脂，以实现高保真打印。由于粘附的液膜是作为过渡层而不是传统上认为的液体树脂残余物，因而避免了后清洗步骤。研究优化墨水性质和打印参数，可较好地控制3D打印隐形眼镜结构的液膜厚度和表面光滑度。此外，该技术还可以抑制热累积和热扩散，确保连续打印过程的稳定性。基于这一打印策略，科研人员制备出具有极高的光滑度（均方根粗糙度小于1.3 nm）、均匀的机械性能、良好的生物相容性以及高光学质量（透光性和光学分辨率达96%和228.1 lp/mm）的隐形眼镜结构。

相关研究成果发表在Advanced Materials上。研究工作得到科技部、国家自然科学基金委员会、中科院青年创新促进会、北京分子科学国家研究中心的支持。

连续液膜限制的3D打印过程和3D打印隐形眼镜结构及其表征

文章来源：中国科学院化学研究所

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根据3D科学谷的市场观察，提供3D打印定制眼镜服务的中国品牌BRAGi（佩极）与3D打印企业LuxCreo 清锋，在定制化眼镜框生产领域建立了合作。近日，双方在南京春生·线上线下眼镜采购节上推出了全新系列定制透明框架眼镜。LuxCreo 清锋作为镜框的生产方携LUX3打印机应邀参加采购节，现场首秀了“佩戴极致”的打印过程。

3D打印透明眼镜框©LuxCreo清锋

BRAGi的“透明”发现之旅

2021，眼镜界的定制宠儿BRAGi以“透明镜框”为主题引领时尚风标，推出碧玺绿、沙士棕、雾霾蓝、冰糖透等7款7色体现潮流外观、创新科技的3D打印新品。

3D打印透明镜框，一改金属材质的沉重感，轻盈剔透，凸显五官，清晰的纹理令脸部线条更加柔顺优雅。

©LuxCreo清锋

 韧性、透明、多色的3D打印材料

“我们是一群眼镜探险家，我们青睐科技，也追求时尚。在我们不断探索3D打印独特美感的过程中，遇见了LuxCreo，发现一种全新材料以及全新的打印方式，解决了现有3D打印的众多难题。”——BRAGi创始人殷总

LuxCreo 清锋针对消费者对透明时尚的需求，在材料体系中的韧性材料TM79 应用于镜框的生产，在实验过程中不断迭代升级，开发出多种性能优异、打印稳定的透明颜色。

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TM79材料材料具有以下特点：

透明多色：LuxCreo自主研发透明光敏树脂TM79材料，色彩多样，晶莹剔透，可直接打印出透明纹理结构，激发镜框智造的多种新变。

©LuxCreo清锋

细致纹理：透亮中穿插清晰的纹路，为透明增加一份质感，为时尚增添一丝优雅。

©LuxCreo清锋

性能稳定：TM79材料与激光烧结粉末尼龙材料相比，在弹性、韧性、抗弯折能力、断裂伸长率等方面表现突出。镜托和镜框拥有足够的强度和承重力，在使用过程中不用担心“怕弯折怕摔断“等问题。

后处理简单：LuxCreo极速3D打印LEAP技术简化数字光处理和DLP技术，利用光敏液态树脂固化一体成型，只需简单去除支撑，无需清粉、上色。

©LuxCreo清锋

除了材料特性以外，LuxCreo 清锋支持量脸定制的生产方式，从扫描到眼镜框制作仅需7天。这种方式使得眼镜品牌商减轻库存压力，满足小批量快速定制的眼镜行业需求。

 科技与时尚的创新智造

©LuxCreo清锋

制造BRAGi定制镜框的打印机LUX3是LuxCreo （清锋）第三代高精度工业级3D打印机。配置7寸液晶触摸显示屏，搭载专属LuxFlow切片软件，在满足高速、稳定运行的前提下实现“微米级”打印精度，打印体积达192mm × 120mm × 380mm。

TM79属于LuxCreo材料体系中的韧性材料，在打印前呈液体状态，打印过程中通过感“光”固化成型，从连续液面中“提取”出来。成型期间全程无气泡，透过光线可以清楚看到材料的通透无杂；连接制件与成型台的支撑结构，可有效避免制件因重力而导致的下垂及变形且能轻松去除；从液态到固态，成型件保持了材料原有的强度、韧性和抗弯折性，1:1还原初始设计。

TM79在LUX3上的打印过程©LuxCreo清锋

3D打印定制眼镜作为一种革新传统技术，运用新科技智造的产品，能够解决板材眼镜镜框尺寸不匹配、样式有限、定制成本高、后处理繁琐等难题。LuxCreo清锋与BRAGi的跨界合作，为眼镜定制服务的全面升级带来全新可能性。

目前，LuxCreo清锋的3D打印定制服务仍在加速消费品领域的不断创新与实践。作为一家技术驱动型企业，LuxCreo将继续在全球与合作伙伴共建智能制造生态系统，倾力打造全流程3D打印规模化生产解决方案，为消费者提供更能满足个性化需求的产品和服务。

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根据3D科学谷的市场观察，国内外市场上都已经出现了利用数字化技术为用户提供眼镜镜架定制化设计与生产的品牌。之前，3D科学谷在《正在改变眼镜制造，3D打印镜架实现匹配瞳孔，3D打印镜片实现自由曲面》一文中，详细介绍过3D打印在制造定制化镜框，自由曲面镜框方面的发展。本期，3D科学谷将通过眼镜制造商Horizons Optical 开发的镜框定制化设计与制造技术，回顾一下这类技术及商业模式所有望解决的市场痛点。

 实现更佳视觉减少库存

Horizons Optical 是一家眼镜制造商，但除此之外还是一家眼科实验室，开发光学领域的创新技术和服务。Horizons Optical 开发的最前沿的技术之一是数字化眼镜框定制与制造技术-Made4U。Made4U 是指通过三维扫描进行镜框定制化设计，并通过3D打印技术进行定制化镜框生产的技术。

Horizons Optical的眼镜框定制流程是从三维扫描开始的，首先使用名为made4U的3D扫描技术扫描客户的脸部，然后在计算机中创建3D模型。Horizons Optical使用3D模型设计眼镜，以适合每个独特面部形状的方式改变框架的形状。然后，将设计模型发送给3D打印服务商，该服务商采用的镜框3D打印技术为惠普（HP）的多射流熔融（Multi Jet Fusion）3D打印技术。

由于每个设计都是为了满足个别客户的需求而定制的，因此Horizons Optical可以生产不需要鼻托等配件的框架。

该过程首先使用名为made4U的3D扫描技术扫描每个客户的脸部，然后在计算机中创建3D模型。Horizons Optical使用3D模型设计眼镜，以适合每个独特面部形状的方式改变框架的形状。然后，将设计发送给制造合作伙伴使用Multi Jet Fusion制造，框架制造材料为聚酰胺粉末。

目前，通过传统方式批量生产的标准眼镜框能够满足消费者的眼镜佩戴需求，并且款式更为丰富，那么，3D打印定制化眼镜框与传统镜框相比有哪些区别和优势呢？ 根据 Horizon Optical ，定制眼镜确保完美贴合消费者面部，镜架的形状适应消费者独特的面部特征，带来更佳视觉。

这是因为通过数字化技术设计的定制镜框能够将镜片放置在最准确的位置上。根据佩戴者面部特征量身定制设计的镜框佩戴起来舒适度更好，眼镜不容易滑落。但更重要的是，Horizon Optical 通过软件和数字化工作流程，能够确保眼镜与眼睛保持精准的距离和高度，提供精准的校正功能。

传统眼镜框由于尺寸不完全与个别佩戴者脸部贴合，在配镜时通常需要进行手工调整，配镜过程也需要依赖人工的经验，比如说眼科配镜师需要手工测量瞳距的数据，并反复确认。

对于眼镜生产和销售企业来说，采用3D打印技术生产定制化镜框，可以减少未售出的库存。

 3D科学谷Review

通过三维扫描和3D打印这样的数字化技术实现眼镜镜框的定制化生产，已经进入了商业化的萌芽阶段。

根据3D科学谷的市场观察，进入这个领域的制造商既有Horizon Optical 和HOYA 这样的传统眼镜制造商，也有专门提供3D打印定制化眼镜的创业品牌。

来源：美戴科技

杭州美戴科技就属于后者，美戴科技开发了自有的人脸三维测量眼镜架设计方法，该方法能根据扫描用户脸部得到的三维人脸模型自动生成与用户脸型贴合的眼镜架，镜架建模后通过3D打印设备进行生产。美戴科技正在探索两种定制方式，一种是在线定制模式，通过APP 获取用户脸部扫描数据，并上传验光单，从而进行眼镜的定制，另一种是线下模式，用户前往体验店测量脸部数据以及验光，最终获得定制化的眼镜。

国际上，日本眼镜制造商HOYA在定制化镜架制造领域进行了尝试，根据3D科学谷的市场观察，HOYA于2016年与3D打印软件、服务企业Materialise公司合作，推出了Yuniku 3D定制眼镜系统。

根据3D科学谷的市场观察，这些推出眼镜镜框定制的品牌所希望解决的眼镜行业痛点是类似的，即：改善标准化镜框与用户面部不完全匹配的问题，从而提升眼镜的矫正效果；缓解眼镜行业的库存压力，改善供应链。

以Yuniku 3D定制眼镜系统为例，他们旨在解决两个难点：

找到瞳孔位置

首先是镜架的定制化设计。通过系统中的3D扫描技术，对客户的面部轮廓进行高分辨率扫描，并基于这些基本数据设计进行镜架设计，在设计时首先是对镜片视觉性能进行优化，软件使用消费者面部和视觉资料来决定最符合佩戴者实际情况的镜片位置，然后根据镜片位置来设计镜架。

系统与Materialise的软件进行对接，根据佩戴者独特的面部特征定制镜框，镜框的、颜色以及细节均可以调节，从而求满足消费者的个性化需求。此外，系统还能够生成消费者佩戴新镜框的虚拟图片。由此，可以设计出一款与佩戴者面部尺寸匹配，瞳距与镜架、镜片光心位置精确匹配的镜架。

个性化生产的规模化管理

Yuniku 3D定制眼镜系统解决的另外一个难点是镜架个性化生产的规模化管理。试想一下，作为眼镜制造商，如果要生产上千幅眼镜，每幅眼镜对应的都是不同消费者的需求，怎么才能够快速便捷的管理这些数据，而不会出现张冠李戴的情况呢？

Materialise的流程软件正是解决这些问题的关键，该软件帮助镜架制造商通过数据流来跟踪每个定制化的产品。Yuniku 3D定制眼镜系统直接连接至Materialise经认证的3D打印工厂，完成镜架定制化生产。

大多数人可能不了解为什么我们去眼镜店购买眼镜的时候价格普遍比较昂贵，这其中有一个隐晦的原因是眼镜店铺货与仓储的资金成本，以及只能卖掉部分眼镜所带来的浪费成本。根据3D科学谷的了解，由于款式、颜色、材质或其他原因没有被消费者选中，通常大量的眼镜库存是被浪费掉的，卖不掉的眼镜成本只能通过提高眼镜售价的方式“摊销”。

对于眼镜商而言，Yuniku为消费者提供了更为高效的互动和服务，改变了传统的先批量生产，大量库存，以及无法卖掉所造成的浪费；3D打印定制技术的使用也为眼镜行业带来了新的分销途径，并有助于消除眼镜行业常见的库存风险。对于终端消费者而言，Yuniku系统的使用意味着他们可以获得真正符合个人独特视觉、舒适度以及审美需求的定制化眼镜产品。

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