怎樣的技術才能造出世界最小的船

2020-11-12 光明網

起源於20世紀80年代的3D列印，近年來發展迅猛，被譽為「第三次工業革命的重要標誌之一」。本月初，荷蘭萊頓大學的物理學家利用3D列印技術列印出了世界上最小的船隻，船長只有30微米，僅比細菌細胞大6倍。

研究人員使用掃描電子顯微鏡拍攝這艘船，展示其有一個開放的船艙、一個煙囪，甚至還有小舷窗。尤其令人印象深刻的是，整個模型的厚度只有人類頭髮絲直徑的三分之一。該項目的研究人員表示，未來希望將其應用於人體內精準靶向的藥物輸送。

從正式誕生到走進微觀世界，3D列印技術突飛猛進的背後是怎樣的技術變革？在幾立方微米的微觀空間內創造一件物品，科學家是如何實現的呢？

傳統3D列印技術各有千秋

傳統的減材製造工藝是指利用已有的幾何模型工件，用工具將材料逐步切削、打磨、雕刻，最終成為所需的零件。而3D列印，又稱增材製造，是藉助於3D列印設備，對數字三維模型進行分層處理，將金屬粉末、熱塑性材料、樹脂等特殊材料一層一層地不斷堆積黏結，最終疊加形成一個三維整體。

內蒙古包頭問號系統集成有限公司負責人曹建偉告訴記者：「簡單來說，3D列印需要首先設計出三維實體模型，印表機將數字模型轉換為一組三維印表機所需的移動指令，然後讓列印頭根據預先設定的軌跡在列印板上反覆鋪設材料並融合連續的材料層，直到最終形成立體模型。」

據了解，熔融堆積技術（FDM）和光固化技術（SLA），是目前最常見、最成熟的兩種3D列印技術。

「熔融堆積3D列印又叫熔絲沉積3D列印，它是將絲狀熱熔性材料加熱融化，通過帶有一個微細噴嘴的噴頭擠噴出來，根據設定好的移動路徑，將材料沉積在製作面板或者前一層已固化的材料上（當溫度低於一定數值後材料會固化），通過材料的層層堆積形成最終成品。」曹建偉說。光固化3D列印則是以液態光敏樹脂為原料，通過數控裝置控制的掃描器，將雷射光束按設計的掃描路徑照射到液態光敏樹脂表面，使表面特定區域內的一層樹脂固化，當一層加工完畢後，就生成了零件的一個截面;然後升降臺下降一定距離，固化層上覆蓋另一層液態樹脂，再進行第二層掃描，第二固化層牢固地黏結在前一固化層上，這樣一層層疊加便形成了三維工件原型。將原型從樹脂中取出後，進行最終固化，再經打光、電鍍、噴漆或著色處理即可得到要求的產品。

據了解，熔融堆積3D列印可使用的原料種類繁多，能夠根據不同需求改變列印設置和硬體附件，更有利於定製化生產，能夠適應更多特殊化場景的使用需求。而光固化3D列印可以實現0.1毫米的解析度，並且可以實現平滑、細緻的表面處理，這是熔融堆積3D列印無法比擬的。

新技術讓列印精度和速度不斷提升

光固化3D列印技術，在「固液結合面」上列印以及逐層堆積的過程中，免不了要產生微小的「漣漪」。這些「漣漪」很細微，幾乎觀察不到。之所以不影響列印效果，是因為光固化3D列印的精度離納米級的精度還有很遠的距離。

隨著研發技術不斷突破，3D列印已經成功應用於航空航天、醫療、建築、汽車等領域，製造業對零件精度的要求也越來越高。

以雙光子3D列印（TPP）為代表的高精度3D列印，因其具有高效率、高精度的顯著特性日漸受到青睞。

雙光子3D列印，又叫做雙光子聚合光固化成形技術，所用的材料也是光敏樹脂。不同之處在於，傳統的光固化技術所利用的都是單光子聚合，將一個光子作為基礎單位進行吸收。極少數情況下，由於物質中存在特殊的能級躍遷模式，也會出現同時吸收兩個光子的情況，這就是「雙光子吸收效應」。但只有在高度聚焦的雷射中心部位，才會有足夠高的輻照度來確保有兩個光子同時被吸收。

通常情況下，常見的物體如一塊玻璃或一杯水，對特定波長的光透過率是一定的，吸收率也是一定的，這個比例並不會隨著光強度變化而變化。但是雙光子吸收效應，卻會隨著光能量密度的增加而加強。

「只有當光強達到一定值，才會出現明顯的雙光子吸收效應，將雷射聚焦，就可以將反應區域限定在焦點附近誤差極小的範圍內。通過精密移動臺配合，使得該焦點在光敏物質內移動，焦點經過的位置，光敏物質變性、固化，就可以列印出任意形狀的3D物體，精度可以達到納米級。」曹建偉告訴記者。

據介紹，雙光子3D列印是使用雷射逐點寫入，再分層列印，這種「由點及面再逐層增加」的列印方式雖然精度很高但是速度很慢（約每小時0.1立方毫米），即使製造小型元器件都要花費數天甚至幾個星期的時間。另外雷射光源有壽命限制，一般每套機器只能使用約兩萬小時，長時間的使用又造成了雙光子3D列印的高昂成本。

2019年，香港中文大學工程學院機械與自動化工程學系副教授陳世祈及其團隊研發了「飛秒投影雙光子光刻3D列印」（FP-TPL）技術，將原有列印速度提升了數千至一萬倍。據了解，這種技術可以在與雷射束垂直的平面上形成可編程的飛秒光片，用於平行寫入。這相當於同時投射數百萬個雷射焦點，以取代傳統的聚焦方法。換句話說，飛秒投影雙光子光刻3D列印技術可以在雙光子3D列印技術製造一個點的時間內製造出整個平面，將製造時間由幾天縮短到幾分鐘。（記者 張景陽 通訊員 李寶樂）

來源： 科技日報

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