原文作者：Cameron Darkes-Burkey & Robert F. Shepherd
一种新的3D打印技术基于两束交叉光触发的化学反应，实现了毫米到厘米尺度的微米级高精度打印。
看过《星际迷航》的朋友一定还记得，神奇的复制机可以在几秒内创造出各式各样的固体物质。多亏了材料科学的进步，这些曾经只存在于科幻小说中的设备已经比我们想象中更接近现实。一种被称为体积增材制造（VAM）的3D打印技术可以利用光线在液相前驱体（liquid precursor）中快速固化目标物体。最近，Regehly等人在《自然》[1]上报告了一种最新的VAM技术，特征分辨率达25微米，固化速度55立方毫米/秒。作者将这个技术称为xolography——因为整个过程使用了两束不同波长的交叉（X）光线固化整个物体（holos在希腊语中是整体的意思）。
传统的3D打印机借助能在三个正交方向上操纵打印头或者打印对象的架子，以便将喷头对准下一个沉积材料的位置。不过，目前最快的3D打印机可以用光来一次诱导一整层液态起始材料的聚合反应，以500毫米/小时的速度将液态变为固态[2]。如果合理调节光通量和聚合动力学，就能打印出的完整的物体，而不存在传统逐层3D打印的人工痕迹。VAM方法无需从起始材料得到目标物体，简化了工艺流程，加快了制造速度。与其他方法相比，这种方法使得高质量零件的制造成为可能，并且无需打印支撑结构，免除了打印结束后去除支撑结构的工作。
此前的其他VAM方法包括双光子聚合技术（TPP）[3,4]和计算轴向光刻技术（CAL）[5,6]。TPP使用飞秒激光脉冲（1飞秒等于10-15秒）来聚合纳米尺度的基本结构毫米与微米的换算，并通过叠加来构建微结构。TPP的速度很慢，每小时只能打印1-20立方毫米营销引流，主要用于打印毫米级物体，但它的特征分辨率能达到100纳米。
相比之下，CAL技术拓展了VAM的另一种能力，实现了厘米级物体的高速固化。在CAL中，图像从不同角度投影到旋转的液相前驱体上，再利用算法控制不同体素（3D像素）的累计曝光量。在此过程中，一个系统利用溶解氧避免自由基物种引起非预期的聚合反应，因此只有目标区域才会发生固化。CAL可以达到100微米的打印精度，能在几秒内打印出厘米级零件，但它需要一个反馈系统进行计算机优化，这会增加打印的成本和时间。
Regehly和同事报道了一种在VAM中引发聚合反应的新化学方法，可以更好地控制发生引发和聚合反应的液体体积。这一技术在不牺牲打印速度的前提下，将先前宏观的VAM技术的分辨率提高了十倍。
xolography的工作流程如下：用光照射一定体积的粘性树脂材料，产生固定厚度的矩形光照层（图1），这束光的特定波长可以裂解分子主链上的分子环，激发溶解在树脂中的双色光引发剂（DCPI）分子——这一反应仅仅在光照层内发生。
图1 | 一种高分辨率3D打印技术。Regehly等人[1]报告了一种名为xolography的技术，该技术利用光在液相前驱体中固化打印对象。先用光照射一定体积的粘性树脂，产生一个矩形光照层（蓝色），这能激发溶解在树脂中的双色光引发剂分子（DCPI，图中未显示）。再用第二束光（红色）投射打印对象的切面图像，打印在光照层的平面上。第二束光与第一束光的波长不同，可以让激活的DCPI启动树脂的聚合，让两束光交叉区域的树脂固化。之后再让树脂体积线性移动，让光照层到新的位置，重复以上过程，一片一片地打印出整个物体。
第二束光再将3D物体的一个切面图像投射到第一束光的光照层平面进行打印。第二束光的波长与第一束光不同，在第二束光的照射下，激发后的DCPI分子可以让树脂聚合，让切面凝固。然后，这部分树脂会相对于固定的光照层进行移动，改变了光照层在树脂中的位置，让整个激活和聚合过程在新位置重新开始，从而一片片地构建出整个物体。
为了演示该方法的实际效果，研究人员利用这种技术打印了在一个直径8毫米球笼中的一个可以活动的小球（图2）。如果使用传统的逐层3D打印，这个小球在打印时就需要借助支撑物与球笼相连，而这些支撑物之后很难取出。xolography技术所能实现的高分辨率打印还能直接打印机械系统，例如能在水流和气流中旋转的叶片（见论文[1]图2d-f）。
图2 | xolography技术打印的一个复杂物体。Regehly和同事利用xolography技术，打印了多个高精度的复杂物体，例如球笼内一个可以动的球。这类物体通常很难用传统3D打印技术直接打印。上图分别为该物体在打印中（a）和处理后（b）的状态。球笼直径为8毫米。
在一个更厉害的演示里，Regehly等人利用xolography技术打印了可将激光束转换为准直均匀光线的非球面鲍威尔棱镜（见论文[1]图2g-i）。在空气中，打印出的棱镜可以将绿色的窄激光束拉伸并投影成一条直线。这个棱镜的光学特性展现了打印材料的结构非常均匀，没有缺陷。最后，作者还打印了一个细节度很高的直径3厘米的人像，非常清楚地展示了内部的解剖结构，比如空心的鼻腔和食道（见该论文图2j-I）。
目前看来，xolography的主要局限在于其打印尺寸，这受限于光束在树脂中能穿透的深度。此外，这一方法在打印过程中需要移动树脂容器，在移动方向上尺寸更大的物体需要耗费更长的时间。尽管作者的化学方法能实现高分辨率打印，但也限制了能用于xolography的材料种类。
尽管存在这些局限性，但xolography——以及其他VAM技术——的未来依然充满可能性。应用于数字光处理（DLP，一种由光引发固化反应的传统逐层3D打印技术）的类似前沿技术现在也能用于VAM了，比如灰度光照（greyscale illumination）可以用来制造具有刚度梯度的物体了。这将应用于多种场景，例如加固不同3D打印组件间的界面，构建活动铰链（用于连接刚体构件的相同材质的柔性接头）等非标工程零件。
Regehly等人预测，xolography技术的特征分辨率和体积生成率可以通过引入更好的光学系统进一步提升毫米与微米的换算，例如使用更强的激光。但对于所有的VAM系统来说，都面临着一些相同的挑战，例如如何将打印体积从立方厘米提升至立方米，以及如何在一次打印中使用多种材料。
随着打印速度的提升和新材料的出现，DLP方法已经开始作为产品开发的一部分，应用于跑鞋夹层的大规模个性化定制中（见go.nature.com/3gy86wp）。如果VAM和xolography可以带来相同的进展，大规模的商品制造也指日可待。在未来，目前还不能使用3D打印的领域必将涌现大量应用。正如Regehly等人的研究所展示的那样，该领域已经进入了一个激动人心的时代。
参考文献：
1.Regehly, M. et al. Nature 588, 620–624 (2020).
2.Tumbleston, J. R. et al. Science 347, 1349–1352 (2015).
3.Baldacchini, T. (ed.) Three-Dimensional Microfabrication Using Two-Photon Polymerisation: Fundamentals, Technology and Applications (Elsevier, 2019).
4.Geng, Q., Wang, D., Chen, P. & Chen, S.-C. Nature Commun. 10, 2179 (2019).
5.Loterie, D., Delrot, P. & Moser, C. Nature Commun. 11, 852 (2020).
6.Kelly, B. E. et al. Science 363, 1075–1079 (2019).
原文以High-resolution 3D printing in seconds标题发表在 2020年12月23日的《自然》的新闻与观点版块上
© nature
doi:10.1038/d41586-020-03543-3
