3D打印出一座“柏林地標(biāo)” 精度高于發(fā)絲

說到3D打印，你首先想到什么缺點(diǎn)？

速度慢、精度低、打印出來的物體看起來十分脆弱。

現(xiàn)在，這些缺點(diǎn)在最新的3D打印技術(shù)面前都不是問題。

來自德國(guó)的一組團(tuán)隊(duì)，現(xiàn)在能在幾秒內(nèi)完成一次3D打印，比之前最快的技術(shù)也要快上十倍，加工精度還很高，達(dá)到25微米（僅不到頭發(fā)絲直徑一半）。

只需要幾秒時(shí)間，就能打印出一個(gè)立體圖案：

打印出柏林地標(biāo)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(yùn)轉(zhuǎn)。

你也不必?fù)?dān)心打印出來的物體太脆弱，即使它遭到錘子重?fù)粢膊粫?huì)輕易散架。

快、準(zhǔn)、穩(wěn)是這種3D打印技術(shù)的最大特點(diǎn)。

現(xiàn)在，這項(xiàng)研究成果發(fā)表在了最新一期的Nature上。

在電影《星際迷航》中，有一種叫做“復(fù)制器”的設(shè)備?？梢栽趲酌腌妰?nèi)復(fù)制出另一個(gè)物體。

現(xiàn)在由于材料科學(xué)的進(jìn)步，這些科幻小說的裝置可能比我們想象的更接近現(xiàn)實(shí)。

傳統(tǒng)3D打印的缺點(diǎn)

為何傳統(tǒng)3D打印慢？主要是因?yàn)橹荒艽蛴⊥暌粚釉俅蛄硪粚印?/p>

常見的3D打印機(jī)用噴頭噴出樹脂，繼而一層層堆疊起來。一般打印一個(gè)物體可能需要幾小時(shí)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(dǎo)致層與層之間結(jié)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(chuàng)業(yè)公司開發(fā)了一種全新的技術(shù)，大大提高了速度。

他們2015年發(fā)表在Science上的論文首次展示了這種技術(shù)，稱之為連續(xù)液面生成（CLIP），能比傳統(tǒng)的3D打印技術(shù)快上100倍。

CLIP之所以快，是因?yàn)樗淮文艽蛴⊥暌粚印?/p>

這項(xiàng)技術(shù)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(gè)截面，直到打印完整個(gè)物體。

速度問題是解決了，但還有一個(gè)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(shù)也無能為例，像下面那種“籠中小球”，之前的3D打印技術(shù)也難以應(yīng)付。

而且CLIP的打印速度雖然提升很多，對(duì)于批量生產(chǎn)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(xué)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(fā)生化學(xué)反應(yīng)，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(huì)形成一根根直線：

那么，利用兩束光的交點(diǎn)呢？

如果一種液體在經(jīng)過兩種光照反應(yīng)后，才能生成固體，那么就能利用交點(diǎn)，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(yīng)后能生成固體物。

現(xiàn)在，這種液體化合物（雙色光引發(fā)劑，DCPI）已經(jīng)被找到了，它的初始化學(xué)式長(zhǎng)這樣：

在與375nm的紫外線光進(jìn)行反應(yīng)后，它變成了這種化合物（花菁態(tài)）：

現(xiàn)在，這種花菁態(tài)化合物能夠跟波長(zhǎng)位于450~700nm之間的可見光反應(yīng)，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(shù)”，意為利用交叉的光線，在液體中“照”出一個(gè)固體來。

除了反應(yīng)速度快，Xolography的優(yōu)點(diǎn)在于，與紫外線光反應(yīng)生成的花菁態(tài)化合物，還可以被回收并重復(fù)利用。

中間生成的花菁態(tài)化合物并不穩(wěn)定，如果一直沒有被第二束可見光擊中，它就會(huì)在室溫下以t1/2=6s的熱半衰期，恢復(fù)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(gè)缺陷。

下圖是DCPI的初始化合物、與反應(yīng)后的花菁態(tài)化合物，和兩種波長(zhǎng)的光反應(yīng)的吸光率。其中，黑色的曲線是初始化合物，藍(lán)色的曲線是花菁態(tài)化合物：

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

因此，要保證這種花菁態(tài)化合物，只能在紫外線光中暴露一次。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員開發(fā)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(zhuǎn)換成發(fā)散激光光束，準(zhǔn)直并聚焦到打印體積的中心，形成一整個(gè)紫外光片。

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

這時(shí)，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(shù)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(fā)不均勻性可以保持在13%以下，非常穩(wěn)定。

目前，研究人員還在優(yōu)化這種化合物，以提高它的快速聚合能力，同時(shí)保證最大的光學(xué)透明性和高粘度。

這項(xiàng)神奇的3D打印技術(shù)，由勃蘭登堡應(yīng)用科學(xué)大學(xué)的物理學(xué)家Martin Regehly等多位德國(guó)科學(xué)家造出。

事實(shí)上，此前也有人嘗試過用兩束光交叉的方法，來進(jìn)行3D打印，然而卻無法達(dá)到這種方法的精度。

這一技術(shù)的系統(tǒng)程序由Python編寫，在樹莓派4上運(yùn)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(cuò)，批量打印也沒有問題。

未來或用于生產(chǎn)跑鞋

當(dāng)然，Xolography現(xiàn)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(dòng)樹脂，如果打印方向上移動(dòng)距離較長(zhǎng)，打印時(shí)間也會(huì)成比例地增加。

但是它超快的打印速度頗具實(shí)用化前景。研究人員已經(jīng)想到，用它來加工定制的運(yùn)動(dòng)鞋鞋底。

阿迪達(dá)斯可能也是這么想的。

早在2017年，阿迪達(dá)斯就已經(jīng)嘗試使用3D打印來加工鞋底，當(dāng)時(shí)他們利用Carbon3D的技術(shù)來打印Futurecraft 4D這款跑鞋鞋底。

像這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的鏤空鞋底，傳統(tǒng)技術(shù)無法制造，只能由3D打印來完成。

所以阿迪達(dá)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(dǎo)致阿迪達(dá)斯在2017年大約只生產(chǎn)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(chǎn)不再是夢(mèng)想。

也許你以后就能用更低的價(jià)格把最新科技穿在腳上了。

責(zé)任編輯：PSY