1分鐘、2束光，3D打印出一座“柏林地標”，精度高于發絲

批量造跑鞋不是夢。

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編者按：本文來自微信公眾號“量子位”（ID:QbitAI），作者：關注前沿科技，36氪經授權發布。

說到3D打印，你首先想到什么缺點？

速度慢、精度低、打印出來的物體看起來十分脆弱。

現在，這些缺點在最新的3D打印技術面前都不是問題。

來自德國的一組團隊，現在能在幾秒內完成一次3D打印，比之前最快的技術也要快上十倍，加工精度還很高，達到25微米（僅不到頭發絲直徑一半）。

只需要幾秒時間，就能打印出一個立體圖案：

打印出柏林地標建筑勃蘭登堡門也只需68秒。

甚至還能將輪子、輪軸一起打印出來，無需后期組裝即可運轉。

你也不必擔心打印出來的物體太脆弱，即使它遭到錘子重擊也不會輕易散架。

快、準、穩是這種3D打印技術的大特點。

現在，這項研究成果發表在了最新一期的Nature上。

在電影《星際迷航》中，有一種叫做“復制器”的設備。可以在幾秒鐘內復制出另一個物體。

現在由于材料科學的進步，這些科幻小說的裝置可能比我們想象的更接近現實。

傳統3D打印的缺點

為何傳統3D打印慢？主要是因為只能打印完一層再打另一層。

常見的3D打印機用噴頭噴出樹脂，繼而一層層堆疊起來。一般打印一個物體可能需要幾小時甚至幾天。

用這種方法打印的材料，其精度受到噴頭大小的影響。

噴頭大了，打印精度低；噴頭小了，雖然能提高精度，打印速度也慢下來了。

而且這種“千層蛋糕”的打印方式導致層與層之間結合不太緊密。從外觀上看“層次感”就非常明顯。受到外力后，層之間更是容易松脫。

之后，一家名為Carbon的3D打印創業公司開發了一種全新的技術，大大提高了速度。

他們2015年發表在Science上的論文首次展示了這種技術，稱之為連續液面生成（CLIp），能比傳統的3D打印技術快上100倍。

CLIp之所以快，是因為它一次能打印完一層。

這項技術就像拍照，用紫外光照射樹脂液體表面，讓其固化。等這一層固化完后，拉出液面，再拍下一個截面，直到打印完整個物體。

速度問題是解決了，但還有一個問題：打印材料必須是一體的。

比如文章開頭展示的軸承，輪和軸是分開的，CLIp技術也無能為例，像下面那種“籠中小球”，之前的3D打印技術也難以應付。

而且CLIp的打印速度雖然提升很多，對于批量生產來說仍然不夠。比如打印一片鞋底仍需要幾十分鐘。

在光片上，用另一束光雕刻

于是，科學家們想出了一種新辦法：用激光在液體上“雕刻”出想要的物體。

這種液體，在光照條件下能夠發生化學反應，從而生成固體物。

但如果只用一束光讓液體變成固體，并不能很好地打印出想要的形狀，而是會形成一根根直線：

那么，利用兩束光的交點呢？

如果一種液體在經過兩種光照反應后，才能生成固體，那么就能利用交點，在液體中“雕刻”出想要的固體形狀。

也就是說，需要找到一種液體化合物，在二次光照反應后能生成固體物。

現在，這種液體化合物（雙色光引發劑，DCpI）已經被找到了，它的初始化學式長這樣：

在與375nm的紫外線光進行反應后，它變成了這種化合物（花菁態）：

現在，這種花菁態化合物能夠跟波長位于450~700nm之間的可見光反應，生成固體聚合物。

這種方法，被稱之為Xolography，其中X即“交叉”，Holography即“全息照相術”，意為利用交叉的光線，在液體中“照”出一個固體來。

除了反應速度快，Xolography的優點在于，與紫外線光反應生成的花菁態化合物，還可以被回收并重復利用。

中間生成的花菁態化合物并不穩定，如果一直沒有被第二束可見光擊中，它就會在室溫下以t1/2=6s的熱半衰期，恢復成原來的化合物，如下圖中△T。

然而，直接用兩束光交叉的方法，存在一個缺陷。

下圖是DCpI的初始化合物、與反應后的花菁態化合物，和兩種波長的光反應的吸光率。其中，黑色的曲線是初始化合物，藍色的曲線是花菁態化合物：

從圖中可以看出，花菁態化合物，不僅能與可見光反應生成固體聚合物，也能吸收可見光波長之外的光（包括紫外線光），產生光引發反應。

因此，要保證這種花菁態化合物，只能在紫外線光中暴露一次。

為了實現這一目標，研究人員開發了一種叫做“光片法”的方法，將375nm二極管激光器的高斯光束轉換成發散激光光束，準直并聚焦到打印體積的中心，形成一整個紫外光片。

由于光的衍射，生成的第一種化合物會在液體中呈現“中間窄、兩邊寬”的情況（如圖中藍色部分）：

這時，再從正面將可見光垂直照入，形成固體聚合物。

而中間最窄部分的寬度，就決定了這種3D打印技術的分辨率。

采用這種“在光片上，用另一束光雕刻”的方法，沿光片的激發不均勻性可以保持在13%以下，非常穩定。

目前，研究人員還在優化這種化合物，以提高它的快速聚合能力，同時保證大的光學透明性和高粘度。

這項神奇的3D打印技術，由勃蘭登堡應用科學大學的物理學家Martin Regehly等多位德國科學家造出。

事實上，此前也有人嘗試過用兩束光交叉的方法，來進行3D打印，然而卻無法達到這種方法的精度。

這一技術的系統程序由python編寫，在樹莓派4上運行，用來控制激光器、線性軸和投影儀，打印的速度和精度都挺不錯，批量打印也沒有問題。

未來或用于生產跑鞋

當然，Xolography現在仍有一定的局限性。

首先，光在樹脂中的穿透距離有限，因此打印物體的體積受到限制。

由于該方法需要移動樹脂，如果打印方向上移動距離較長，打印時間也會成比例地增加。

但是它超快的打印速度頗具實用化前景。研究人員已經想到，用它來加工定制的運動鞋鞋底。

阿迪達斯可能也是這么想的。

早在2017年，阿迪達斯就已經嘗試使用3D打印來加工鞋底，當時他們利用Carbon3D的技術來打印Futurecraft 4D這款跑鞋鞋底。

像這種復雜結構的鏤空鞋底，傳統技術無法制造，只能由3D打印來完成。

所以阿迪達斯找到Carbon公司來制造，不過加工一片鞋底的過程大約需要90分鐘，導致阿迪達斯在2017年大約只生產了5000雙這種跑鞋。

如果將來能把Xolography用在3D打印跑鞋上，那么大批量生產不再是夢想。

也許你以后就能用更低的價格把最新科技穿在腳上了。

參考鏈接：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

當前題目：1分鐘、2束光，3D打印出一座“柏林地標”，精度高于發絲
文章URL：http://m.kartarina.com/article30/sccjpo.html

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