1分钟、2束光,3D打印出一座“柏林地标”,精度高于发丝

1 分钟、2 束光,3D 打印出一座 ” 柏林地标 “,精度高于发丝 | Nature

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 打印技术的最大特点。

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,同时保证最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。

△Martin Regehly

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 Phthon 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

量子位
我还没有学会写个人说明!
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