實現《星際迷航》硬核科幻！3D列印超高分辨物體僅需幾秒

在《星際迷航》宇宙中，稱為複製器的設備可以在幾秒鐘內列印出固體物質。由於材料科學的進步，這些科幻小說裡的裝置可能比人類想像得更接近現實。一種稱為體積增材製造（VAM）的3D列印技術使用光來快速固化一定體積的液態前驅物。今日，德國布蘭登堡應用技術大學Martin Regehly和洪堡大學Stefan Hecht報導了VAM的最新研究進展，該技術允許以高達25微米的特徵解析度和55立方毫米/秒的固化速度列印固體物體。研究人員稱這個過程為X線攝影（Xolography），因為它使用兩束不同波長的交叉(x)光束來固化整個物體。相關結果以「Xolography for linear volumetric 3D printing」為題發表在Nature期刊上。

研究內容

傳統的3D印表機有一個架臺，它可以在三個正交方向上操縱列印頭或列印對象，以將印表機的噴嘴定向到下一個位置以沉積材料。但是，最快的3D印表機使用光誘導整個液態起始材料的聚合，從而使固體以每小時500毫米的速度從液體中抽出。VAM消除了從原材料中繪製物體的需要，簡化了工藝流程，並加快了製造速度。與其他方法相比，它還可以生產更高質量的零件，並且無需列印後必須移除的列印對象支撐結構。

VAM之前的變體包括雙光子光聚合（TPP）和計算機軸向光刻（CAL）。在TPP中，飛秒雷射脈衝用於聚合納米級構造塊，可以將其分層以製造微結構。TPP速度很慢，每小時的列印速度僅為1-20立方毫米，通常用於製作毫米級的物體，但它具有100納米的解析度列印特徵。

相比之下，CAL通過允許快速固化釐米級的物體，將VAM的能力向另一個方向移動。在CAL中，使用算法控制在不同體素（3D像素）處的累積曝光量，將圖像以不同角度投影在液體前體的旋轉體積周圍。這與使用溶解氧防止自由基物質引發不必要聚合反應的系統協同完成，因此只有目標體積才能固化。CAL可以在短短幾秒鐘內實現100µm的特徵尺寸並製造釐米級的零件，但是它需要使用反饋系統進行計算機優化，這增加了設備成本和總列印時間。

Regehly及其同事報告了在VAM中引發聚合反應的新化學方法，該化學方法可以更好地控制引發和聚合反應發生的液體體積。他們的技術可以將解析度提高到以前報導的宏觀VAM技術的十倍，而不會犧牲列印速度。

X線照相術的過程如下：一定厚度的矩形光照射一定體積的粘性樹脂（圖1）。選擇光的波長來激活被稱為雙色光引發劑(DCPIs)的分子，通過切割分子主鏈上的一個分子環來激活；這個反應只發生在光圈內。

第二束光投射出3D對象的切片圖像，將被列印到燈片平面上。第二束的波長與第一束不同，任何被激發的DCPI分子都會引發樹脂聚合，使薄片固化。然後，樹脂相對於光片的位置移動，光片是固定的。這改變了光片在樹脂中的位置，因此激活和誘發過程可以在一個新的位置重新開始，從而一片片地構建對象。

圖1：Xolography 3D列印技術

作者通過在直徑為8毫米的球形籠子中列印被捕獲為鬆散物體的球來證明其技術的有效性（圖2a-c）。使用常規的逐層3D列印，需要使用將球連接到籠子的支撐架進，並且之後很難將其取出。高解析度的X射線照相術還可以直接印表機械繫統，例如可以在液體或氣流中在軸上旋轉的刀片（圖2d-f）。

圖2：Xolography 3D列印技術生產的複雜物件

此外，Regehly等人用X射線攝影術列印了一種用於將雷射束轉換為直線，均勻光線的非球面透鏡 (圖2g–i)。在空氣中，鏡頭將一條狹窄的綠色雷射束拉伸成投影的直線。透鏡的光學性能表明，印刷材料的結構非常均勻，沒有缺陷。最後，作者列印了一幅非常詳細的人體半身像，直徑3釐米，有精確定義的內部解剖特徵，比如鼻腔和食道被挖空（圖2j-l）。

圖3：高解析度特徵物體的表徵

研究人員預測通過使用更好的光學系統（例如功能更強的雷射器），可以進一步提高X射線照相術的特徵解析度和體積生成率。該X射線照相術將激發從光引發劑和材料開發到投影和光片技術的研究領域，以及實現具有快速，高解析度3D列印的眾多應用，例如大規模定製列印跑步鞋鞋底等。

內容來源：微算雲平臺

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