1分钟、2束光，3D打印出一座“柏林地标”，精度高于发丝

批量造跑鞋不是梦。

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编者按：本文来自微信公众号“量子位”（ID:QbitAI），作者：关注前沿科技，36氪经授权发布。

说到3D打印，你首先想到什么缺点？

速度慢、精度低、打印出来的物体看起来十分脆弱。

现在，这些缺点在最新的3D打印技术面前都不是问题。

来自德国的一组团队，现在能在几秒内完成一次3D打印，比之前最快的技术也要快上十倍，加工精度还很高，达到25微米（仅不到头发丝直径一半）。

只需要几秒时间，就能打印出一个立体图案：

打印出柏林地标建筑勃兰登堡门也只需68秒。

甚至还能将轮子、轮轴一起打印出来，无需后期组装即可运转。

你也不必担心打印出来的物体太脆弱，即使它遭到锤子重击也不会轻易散架。

快、准、稳是这种3D打印技术的大特点。

现在，这项研究成果发表在了最新一期的Nature上。

在电影《星际迷航》中，有一种叫做“复制器”的设备。可以在几秒钟内复制出另一个物体。

现在由于材料科学的进步，这些科幻小说的装置可能比我们想象的更接近现实。

传统3D打印的缺点

为何传统3D打印慢？主要是因为只能打印完一层再打另一层。

常见的3D打印机用喷头喷出树脂，继而一层层堆叠起来。一般打印一个物体可能需要几小时甚至几天。

用这种方法打印的材料，其精度受到喷头大小的影响。

喷头大了，打印精度低；喷头小了，虽然能提高精度，打印速度也慢下来了。

而且这种“千层蛋糕”的打印方式导致层与层之间结合不太紧密。从外观上看“层次感”就非常明显。受到外力后，层之间更是容易松脱。

之后，一家名为Carbon的3D打印创业公司开发了一种全新的技术，大大提高了速度。

他们2015年发表在Science上的论文首次展示了这种技术，称之为连续液面生成（CLIp），能比传统的3D打印技术快上100倍。

CLIp之所以快，是因为它一次能打印完一层。

这项技术就像拍照，用紫外光照射树脂液体表面，让其固化。等这一层固化完后，拉出液面，再拍下一个截面，直到打印完整个物体。

速度问题是解决了，但还有一个问题：打印材料必须是一体的。

比如文章开头展示的轴承，轮和轴是分开的，CLIp技术也无能为例，像下面那种“笼中小球”，之前的3D打印技术也难以应付。

而且CLIp的打印速度虽然提升很多，对于批量生产来说仍然不够。比如打印一片鞋底仍需要几十分钟。

在光片上，用另一束光雕刻

于是，科学家们想出了一种新办法：用激光在液体上“雕刻”出想要的物体。

这种液体，在光照条件下能够发生化学反应，从而生成固体物。

但如果只用一束光让液体变成固体，并不能很好地打印出想要的形状，而是会形成一根根直线：

那么，利用两束光的交点呢？

如果一种液体在经过两种光照反应后，才能生成固体，那么就能利用交点，在液体中“雕刻”出想要的固体形状。

也就是说，需要找到一种液体化合物，在二次光照反应后能生成固体物。

现在，这种液体化合物（双色光引发剂，DCpI）已经被找到了，它的初始化学式长这样：

在与375nm的紫外线光进行反应后，它变成了这种化合物（花菁态）：

现在，这种花菁态化合物能够跟波长位于450~700nm之间的可见光反应，生成固体聚合物。

这种方法，被称之为Xolography，其中X即“交叉”，Holography即“全息照相术”，意为利用交叉的光线，在液体中“照”出一个固体来。

除了反应速度快，Xolography的优点在于，与紫外线光反应生成的花菁态化合物，还可以被回收并重复利用。

中间生成的花菁态化合物并不稳定，如果一直没有被第二束可见光击中，它就会在室温下以t1/2=6s的热半衰期，恢复成原来的化合物，如下图中△T。

然而，直接用两束光交叉的方法，存在一个缺陷。

下图是DCpI的初始化合物、与反应后的花菁态化合物，和两种波长的光反应的吸光率。其中，黑色的曲线是初始化合物，蓝色的曲线是花菁态化合物：

从图中可以看出，花菁态化合物，不仅能与可见光反应生成固体聚合物，也能吸收可见光波长之外的光（包括紫外线光），产生光引发反应。

因此，要保证这种花菁态化合物，只能在紫外线光中暴露一次。

为了实现这一目标，研究人员开发了一种叫做“光片法”的方法，将375nm二极管激光器的高斯光束转换成发散激光光束，准直并聚焦到打印体积的中心，形成一整个紫外光片。

由于光的衍射，生成的第一种化合物会在液体中呈现“中间窄、两边宽”的情况（如图中蓝色部分）：

这时，再从正面将可见光垂直照入，形成固体聚合物。

而中间最窄部分的宽度，就决定了这种3D打印技术的分辨率。

采用这种“在光片上，用另一束光雕刻”的方法，沿光片的激发不均匀性可以保持在13%以下，非常稳定。

目前，研究人员还在优化这种化合物，以提高它的快速聚合能力，同时保证大的光学透明性和高粘度。

这项神奇的3D打印技术，由勃兰登堡应用科学大学的物理学家Martin Regehly等多位德国科学家造出。

事实上，此前也有人尝试过用两束光交叉的方法，来进行3D打印，然而却无法达到这种方法的精度。

这一技术的系统程序由python编写，在树莓派4上运行，用来控制激光器、线性轴和投影仪，打印的速度和精度都挺不错，批量打印也没有问题。

未来或用于生产跑鞋

当然，Xolography现在仍有一定的局限性。

首先，光在树脂中的穿透距离有限，因此打印物体的体积受到限制。

由于该方法需要移动树脂，如果打印方向上移动距离较长，打印时间也会成比例地增加。

但是它超快的打印速度颇具实用化前景。研究人员已经想到，用它来加工定制的运动鞋鞋底。

阿迪达斯可能也是这么想的。

早在2017年，阿迪达斯就已经尝试使用3D打印来加工鞋底，当时他们利用Carbon3D的技术来打印Futurecraft 4D这款跑鞋鞋底。

像这种复杂结构的镂空鞋底，传统技术无法制造，只能由3D打印来完成。

所以阿迪达斯找到Carbon公司来制造，不过加工一片鞋底的过程大约需要90分钟，导致阿迪达斯在2017年大约只生产了5000双这种跑鞋。

如果将来能把Xolography用在3D打印跑鞋上，那么大批量生产不再是梦想。

也许你以后就能用更低的价格把最新科技穿在脚上了。

参考链接：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

本文标题：1分钟、2束光，3D打印出一座“柏林地标”，精度高于发丝
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