这篇Nature，够酷炫！
小纳米
2020-12-29
3D打印实际上是利用光固化和层叠等技术的最新快速成型装置。它与普通打印工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“打印材料”，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。近年来，3D打印频出奇招，备受赞誉，对整个工业制造领域都产生了颠覆性的影响。LOM（Laminated Object Manufacturing）、FDM（Fused Deposition Modeling）、SLS（Selective Laser Sintering）等3D打印技术先后涌现出来，使陶瓷3D打印、金属3D打印、彩色3D打印、混合材料3D打印等成为现实。从个性化定制的工业设计、人造器官、医疗器械、飞机零件，到衣服、鞋子，再到大型建筑、飞机、汽车的直接制造，3D打印似乎无所不在，无所不能，连科幻电影都自叹不如！作为目前最先进的3D打印技术之一，体积增材制造（volumetric additivemanufacturing, VAM）技术可以直接通过光将液态前驱体直接固化，实现一次成型。为了改良VAM技术，科学家已经发展了一系列新策略，包括双光子光聚合（TPP）技术和计算机轴向光刻（CAL）技术。TPP技术基于飞秒激光脉冲聚合纳米级构造块，并将其分层以制造微结构。TPP速度很慢，打印速度仅为1-20 mm3/h，但是分辨率高达100 nm，通常用于制造毫米尺度的物体。CAL技术在围绕垂直轴旋转时，将预先计算的光图案序列数字投影到树脂容器中，旋转时可以在树脂中照射出上千个不同的投影。随着时间的推移，累积的光暴露穿过聚合阈值的区域变为实心，而不穿过该阈值的区域保持未固化，从而一次性印刷出所设计的三维物体。CAL技术可以快速固化厘米尺度的物体，几秒钟内就可以实现特征尺寸为100 µm的厘米级零件的打印。问题在于，CAL需要使用反馈系统进行计算机优化，增加了设备成本和总打印时间。
为了实现更快、更高分辨率的3D打印，德国科学家Stefan Hecht和Martin Regehly等人发展了一种全新的Xolography技术，通过两个不同波长的交叉光束来固化整个物体，可以更好地控制引发聚合反应发生的液体的体积，使得VAM的分辨率提高到之前的十倍，而不会牺牲打印速度。这种新技术不需要将打印材料逐层打印，工艺流程更加简单，打印速度更快，固化速度达到55 mm3/s，分辨率达到 25 μm。此外，VAM还可以生产更高质量的零件，不需要像其他3D打印技术那样先打印支撑结构，然后将其去除。1）一定厚度的矩形光（蓝色）穿过一定体积的粘性树脂，并激活溶解在树脂中的双色光引发剂分子（DCPI）。2）第二光束（红色）将要打印的物体切片图像投影到光片的平面中。3）两束光的波长差异，导致活化的DCPI引发树脂的聚合反应，从而在两个波长的光交叉处固化树脂。4）线性移动树脂，将光片移动到新位置，然后再次开始该过程，逐层堆叠对象。为了验证这一技术的先进性，作者在直径为8 mm的封闭的笼字内部，直接打印了一个小球。如果是采用传统的逐层3D打印，还要打印支撑结构，而且很难取出。Xolography技术提供的高分辨率，还赋予其直接打印机械系统的能力，譬如可以在液体或空气流条件下，直接打印在轴上旋转的刀片。更令人惊艳的是，研究人员基于Xolography技术，实现了非球面Powell镜片的打印。非球面Powell镜片可以将激光束转换为直线型均匀光线，Powell镜片优异的光学性能表明，打印材料的结构非常均匀，没有缺陷。此外，作者还打印了一个直径3 cm半身人像，其内部结构高度精确，连鼻腔通道和食道都清晰可见。当然，Xolography技术本身也存在一些局限性，主要包括：1）尺寸限制。这种技术目前只能打印小体积物品，一方面是因为，光束可以穿透到树脂中的距离本身是有限制的。另一方面，该技术需要移动树脂体积，打印较大尺寸的物体将花费更多时间2）材料限制。尽管所报道的化学方法能够实现高分辨率，但可用于Xolography技术的材料也是有限的。如何将打印体积从厘米尺度扩大到米尺度，并实现一次性打印多种材料的3D打印设备，是Xolography技术未来的重要挑战。尽管有所局限性，Xolography技术依然为我们带来了无限可能，值得做的事情还有很多：1）将传统的逐层3D打印方法DLP引入VAM。灰度照明可用于制造刚度渐变的对象，加固不同3D打印组件之间的界面，以及非常规的工程机制。2）通过使用更好的光学系统（例如功能更强的激光器），可以进一步提高Xolography技术的特征分辨率和体积生成率。3）改进的打印速度和新材料的出现使DLP方法可以用于某些特定商品的大规模定制。MartinRegehly et al. Xolography for linear volumetric 3D printing. Nature 2020, 588,620-624.https://www.nature.com/articles/s41586-020-3029-7RobertF. Shepherd et al. High-resolution 3D printing in seconds. Nature 2020.https://www.nature.com/articles/d41586-020-03543-3
