說到3D列印，你首先想到什麼缺點？
速度慢、精度低、列印出來的物體看起來十分脆弱。
現在，這些缺點在最新的3D列印技術面前都不是問題。
來自德國的一組團隊，現在能在幾秒內完成一次3D列印，比之前最快的技術也要快上十倍，加工精度還很高，達到25微米（僅不到頭髮絲直徑一半）。
只需要幾秒時間，就能列印出一個立體圖案：
列印出柏林地標建築布蘭登堡門也只需68秒。
甚至還能將輪子、輪軸一起列印出來，無需後期組裝即可運轉。
你也不必擔心列印出來的物體太脆弱，即使它遭到錘子重擊也不會輕易散架。
快、準、穩是這種3D列印技術的最大特點。
現在，這項研究成果發表在了最新一期的Nature上。
在電影《星際迷航》中，有一種叫做「複製器」的設備。可以在幾秒鐘內複製出另一個物體。
現在由於材料科學的進步，這些科幻小說的裝置可能比我們想像的更接近現實。
傳統3D列印的缺點為何傳統3D列印慢？主要是因為只能列印完一層再打另一層。
常見的3D印表機用噴頭噴出樹脂，繼而一層層堆疊起來。一般列印一個物體可能需要幾小時甚至幾天。
用這種方法列印的材料，其精度受到噴頭大小的影響。
噴頭大了，列印精度低；噴頭小了，雖然能提高精度，列印速度也慢下來了。
而且這種「千層蛋糕」的列印方式導致層與層之間結合不太緊密。從外觀上看「層次感」就非常明顯。受到外力後，層之間更是容易鬆脫。
之後，一家名為Carbon的3D列印創業公司開發了一種全新的技術，大大提高了速度。
他們2015年發表在Science上的論文首次展示了這種技術，稱之為連續液面生成（CLIP），能比傳統的3D列印技術快上100倍。
CLIP之所以快，是因為它一次能列印完一層。
這項技術就像拍照，用紫外光照射樹脂液體表面，讓其固化。等這一層固化完後，拉出液面，再拍下一個截面，直到列印完整個物體。
速度問題是解決了，但還有一個問題：列印材料必須是一體的。
比如文章開頭展示的軸承，輪和軸是分開的，CLIP技術也無能為例，像下面那種「籠中小球」，之前的3D列印技術也難以應付。
而且CLIP的列印速度雖然提升很多，對於批量生產來說仍然不夠。比如列印一片鞋底仍需要幾十分鐘。
在光片上，用另一束光雕刻於是，科學家們想出了一種新辦法：用雷射在液體上「雕刻」出想要的物體。
這種液體，在光照條件下能夠發生化學反應，從而生成固體物。
但如果只用一束光讓液體變成固體，並不能很好地列印出想要的形狀，而是會形成一根根直線：
那麼，利用兩束光的交點呢？
如果一種液體在經過兩種光照反應後，才能生成固體，那麼就能利用交點，在液體中「雕刻」出想要的固體形狀。
也就是說，需要找到一種液體化合物，在二次光照反應後能生成固體物。
現在，這種液體化合物（雙色光引發劑，DCPI）已經被找到了，它的初始化學式長這樣：
在與375nm的紫外線光進行反應後，它變成了這種化合物（花菁態）：
現在，這種花菁態化合物能夠跟波長位於450~700nm之間的可見光反應，生成固體聚合物。
這種方法，被稱之為Xolography，其中X即「交叉」，Holography即「全息照相術」，意為利用交叉的光線，在液體中「照」出一個固體來。
除了反應速度快，Xolography的優點在於，與紫外線光反應生成的花菁態化合物，還可以被回收並重複利用。
中間生成的花菁態化合物並不穩定，如果一直沒有被第二束可見光擊中，它就會在室溫下以t1/2=6s的熱半衰期，恢復成原來的化合物，如下圖中△T。
然而，直接用兩束光交叉的方法，存在一個缺陷。
下圖是DCPI的初始化合物、與反應後的花菁態化合物，和兩種波長的光反應的吸光率。其中，黑色的曲線是初始化合物，藍色的曲線是花菁態化合物：
從圖中可以看出，花菁態化合物，不僅能與可見光反應生成固體聚合物，也能吸收可見光波長之外的光（包括紫外線光），產生光引發反應。
因此，要保證這種花菁態化合物，只能在紫外線光中暴露一次。
為了實現這一目標，研究人員開發了一種叫做「光片法」的方法，將375nm二極體雷射器的高斯光束轉換成發散雷射光束，準直並聚焦到列印體積的中心，形成一整個紫外光片。
由於光的衍射，生成的第一種化合物會在液體中呈現「中間窄、兩邊寬」的情況（如圖中藍色部分）：
這時，再從正面將可見光垂直照入，形成固體聚合物。
而中間最窄部分的寬度，就決定了這種3D列印技術的解析度。
採用這種「在光片上，用另一束光雕刻」的方法，沿光片的激發不均勻性可以保持在13%以下，非常穩定。
目前，研究人員還在優化這種化合物，以提高它的快速聚合能力，同時保證最大的光學透明性和高粘度。
這項神奇的3D列印技術，由布蘭登堡應用科學大學的物理學家Martin Regehly等多位德國科學家造出。
△Martin Regehly事實上，此前也有人嘗試過用兩束光交叉的方法，來進行3D列印，然而卻無法達到這種方法的精度。
這一技術的系統程序由Python編寫，在樹莓派4上運行，用來控制雷射器、線性軸和投影儀，列印的速度和精度都挺不錯，批量列印也沒有問題。
未來或用於生產跑鞋當然，Xolography現在仍有一定的局限性。
首先，光在樹脂中的穿透距離有限，因此列印物體的體積受到限制。
由於該方法需要移動樹脂，如果列印方向上移動距離較長，列印時間也會成比例地增加。
但是它超快的列印速度頗具實用化前景。研究人員已經想到，用它來加工定製的運動鞋鞋底。
阿迪達斯可能也是這麼想的。
早在2017年，阿迪達斯就已經嘗試使用3D列印來加工鞋底，當時他們利用Carbon3D的技術來列印Futurecraft 4D這款跑鞋鞋底。
像這種複雜結構的鏤空鞋底，傳統技術無法製造，只能由3D列印來完成。
所以阿迪達斯找到Carbon公司來製造，不過加工一片鞋底的過程大約需要90分鐘，導致阿迪達斯在2017年大約只生產了5000雙這種跑鞋。
如果將來能把Xolography用在3D列印跑鞋上，那麼大批量生產不再是夢想。
也許你以後就能用更低的價格把最新科技穿在腳上了。
參考連結：
https://www.nature.com/articles/d41586-020-03543-3
https://www.nature.com/articles/s41586-020-3029-7#Sec18
http://www.mrvision.org/en/regehly.html
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