新型X線照相體積3D打印技術(shù)橫空出世

近日，一種新型3D 打印技術(shù)——X 線照相體積 3D 打印技術(shù)橫空出世，其帶來(lái)了全新的 “復(fù)制” 體驗(yàn)，如下圖所示，研究人員打印出了一幅人體半身像。

半身像直徑約 3 厘米，有著精確的內(nèi)部解剖特征，鼻腔和食道均是空的。

質(zhì)量也很抗“蹧”，用錘子也砸不爛。

而打印一副柏林地標(biāo)勃蘭登堡門，也只需 68 秒。

該技術(shù)是基于體積增材制造（Volumetric AdditiveManufacturing，VAM）的一項(xiàng)進(jìn)展，相關(guān)論文由馬丁?雷格利（Martin Regehly）等人發(fā)表在《自然》雜志上。

談及這項(xiàng)研究的初心，現(xiàn)為德國(guó)勃蘭登堡應(yīng)用技術(shù)大學(xué)教授的雷格利告訴 DeepTech：“我想嘗試一些新東西來(lái)擴(kuò)大我的視野。到目前為止，不斷更改研究主題一直讓我受益匪淺?！?/p>

可用較高速度，創(chuàng)建復(fù)雜對(duì)象

在這項(xiàng)新工藝中，整個(gè)樹(shù)脂體積的結(jié)構(gòu)被保留，無(wú)需其他精細(xì)化處理，即可固化易碎的軟對(duì)象，一經(jīng)問(wèn)世便廣受關(guān)注。

該技術(shù)允許固體物體以 25 微米（比頭發(fā)絲半徑還細(xì)）的特征分辨率、和 55 立方毫米 / 秒的凝固速度打印出來(lái)，打印過(guò)程被研究團(tuán)隊(duì)稱為 Xolography，因?yàn)樗褂脙蓚€(gè)不同波長(zhǎng)的交叉 X 光束來(lái)固化整個(gè)物體。

談及該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，雷格利說(shuō)：“與逐層掃描相比，包括 Xolography 在內(nèi)的 3D 立體打印技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是：不僅可以形成光滑的表面，還擁有較高的打印速度，并且無(wú)需其他支撐結(jié)構(gòu)，即可創(chuàng)建復(fù)雜對(duì)象。另外還可一步創(chuàng)建具有移動(dòng)部件的多組件系統(tǒng)，且能免去后續(xù)組裝。反觀傳統(tǒng) 3D 打印技術(shù)，在逐層創(chuàng)建目標(biāo)對(duì)象時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)各層之間界限不均勻、或材料缺陷的情況。另外，傳統(tǒng)技術(shù)還需要額外時(shí)間來(lái)涂抹或?qū)Я餍虏牧希@會(huì)減慢打印速度?！?/p>

雷格利表示，與通常僅使用紫外線的其他方法相比，Xolography 使用兩種不同波長(zhǎng)的光進(jìn)行固化。具體來(lái)說(shuō)，該技術(shù)會(huì)在兩個(gè)不同波長(zhǎng)的光束相交的地方，使用可見(jiàn)光引發(fā)的光引發(fā)劑，在密閉的樹(shù)脂體內(nèi)引發(fā)固化，從而加快打印速度。

可用于打印鞋底和牙科陶瓷等

若要完成 Xolography 的全過(guò)程演示，需要一塊矩形光片，并通過(guò)一定體積的粘性樹(shù)脂照射。之所以選擇光的波長(zhǎng)、來(lái)激發(fā)雙色光引發(fā)劑（DCPI）分子，是因?yàn)檫@種雙色光引發(fā)劑可溶解在樹(shù)脂中，并能通過(guò)在分子主鏈上切割一個(gè)分子環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)反應(yīng)。

圖 | Xolography 3D 打印技術(shù)

如上圖，第一波長(zhǎng)的光片激發(fā)一薄層的光敏分子后，使其從休眠狀態(tài)變?yōu)闈撛跔顟B(tài)；接著，正交布置的投影儀產(chǎn)生第二波長(zhǎng)的光，將制造 3D 模型的截面圖像聚焦到光片平面中。

這時(shí)，只有處于潛伏狀態(tài)的引發(fā)劑分子，可以吸收投影儀的光、并使當(dāng)前層聚合。在樹(shù)脂體積通過(guò)的固定光學(xué)裝置同步移動(dòng)期間，設(shè)備會(huì)投影出一系列圖像，并連續(xù)地制造所需對(duì)象，最后交叉 X 光束產(chǎn)生整個(gè)全息對(duì)象的印刷過(guò)程就叫 Xolography。

在過(guò)程中，Xolography 需要一種雙色光引發(fā)劑（DCPI），雷格利通過(guò)將二苯甲酮 Ⅱ 型光引發(fā)劑、集成到螺吡喃分子光開(kāi)關(guān)中來(lái)實(shí)現(xiàn)。盡管已有部分研究將后者用作自由基的光開(kāi)關(guān)前體、來(lái)初始化聚合過(guò)程，但該實(shí)驗(yàn)的 DCPI 可將有效的光開(kāi)關(guān)和光引發(fā)特性，與有利的光譜以及熱特性相結(jié)合。并且，DCPI 和相關(guān)衍生物的合成相對(duì)更簡(jiǎn)單。

圖 | 體積數(shù)字化制造

為抑制單波長(zhǎng)光引發(fā)通道，雷格利等人開(kāi)發(fā)出一款光片方法，以確保樹(shù)脂室中的體素只暴露于紫外光一次。為了產(chǎn)生光片，375nm 半導(dǎo)體激光器的高斯光束被轉(zhuǎn)換成發(fā)散的激光線，在進(jìn)一步準(zhǔn)直后、聚焦到印刷體中心，從而實(shí)現(xiàn)光束腰向容器邊緣加寬。

另外，容器的 UV 輻照度和速度，可以控制特定樹(shù)脂組合物的制造。為確定最佳值，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一款校準(zhǔn)程序，測(cè)試了幾個(gè)輻照度 - 速度對(duì)。結(jié)果他們獲得了一個(gè)用于 Xolography 的參數(shù)空間，該參數(shù)空間可分別受到雙色固化所需的最小紫外光劑量和最大劑量限制。

圖 | 高分辨率物體特征的表征

相比來(lái)說(shuō)，Xolography 作為 VAM 中引發(fā)聚合的新型化學(xué)技術(shù)，能更好地控制聚合的液體體積，該技術(shù)可將分辨率提高到此前相關(guān)技術(shù)的十倍，且不以犧牲打印速度為代價(jià)。

對(duì)于本次成果，雷格利等人預(yù)測(cè)稱，通過(guò)使用更好的光學(xué)系統(tǒng)，Xolography 的特征分辨率和體積生成率可進(jìn)一步提高，但所有 VAM 系統(tǒng)仍面臨一些挑戰(zhàn)，例如怎樣將打印量擴(kuò)大、以及找到在同一打印中使用多種材料的方法。

而隨著印刷速度的提高和新材料的出現(xiàn)，如果使用 VAM 和 Xolography 能取得較好進(jìn)展，則有可能實(shí)現(xiàn)商品量產(chǎn)，比如生產(chǎn)運(yùn)動(dòng)鞋零件、牙科陶瓷、航空航天組件、醫(yī)療設(shè)備等。

一切 “始于郊外啤酒花園”

馬丁?雷格利年輕而富有魅力，不僅有科學(xué)家勇于嘗試、不斷試錯(cuò)的精神，又有創(chuàng)業(yè)者所獨(dú)具的專注力與果敢。

他的專長(zhǎng)是光子成像和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。出生于柏林的他，曾在柏林伊爾梅瑙工業(yè)大學(xué)和洪堡大學(xué)學(xué)習(xí)物理。

在導(dǎo)師的帶領(lǐng)下，他寫了一篇關(guān)于卡西尼號(hào)飛船上的氫氘吸收池（HDAC）儀器的畢業(yè)論文。此后，他分別在德國(guó)航空航天中心（DLR）和美國(guó)大氣與空間物理實(shí)驗(yàn)室（LASP）工作。

從美國(guó)回來(lái)后，他跟從內(nèi)心對(duì)光學(xué)的強(qiáng)烈興趣，先是寫了一篇關(guān)于光生物物理學(xué)的博士論文，后來(lái)又成立了一家公司，專注于開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)科學(xué)相機(jī)以及光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)。

10 年后，他開(kāi)始轉(zhuǎn)換職業(yè)，并于 2017 年獲得勃蘭登堡應(yīng)用科技大學(xué)視覺(jué)科學(xué)和光學(xué)器件工程教授職位。目前他已婚，并育有 3 個(gè)孩子。

而今，他所研發(fā)的 X 線照相體積 3D 打印技術(shù)，再度掀起 3D 打印的革命熱潮。不過(guò)，此次創(chuàng)新成果來(lái)自于化學(xué)家、物理學(xué)家和材料科學(xué)家之間的跨學(xué)科合作。雷格利主要貢獻(xiàn)了光學(xué)和光子學(xué)方面的專業(yè)知識(shí)。

說(shuō)起該研究的開(kāi)端，雷格利戲稱 “始于郊外啤酒花園”，他說(shuō)：“一切開(kāi)始于 2018 年夏天柏林郊外啤酒花園里的輕松交談，記得我們當(dāng)時(shí)聊了很多，討論了一些可行的想法。Stefan（本次研究論文的一位通訊作者）、Dirk Radzinski 都參加了這次對(duì)話，他們對(duì)該項(xiàng)目的推進(jìn)至關(guān)重要?！?/p>

曾經(jīng)的創(chuàng)業(yè)經(jīng)歷，對(duì)他來(lái)說(shuō)影響深遠(yuǎn)。成長(zhǎng)中的初創(chuàng)公司，通常意味著要在時(shí)間壓力和有限的資源下工作，所以他學(xué)會(huì)了專注于特定目標(biāo)。

他說(shuō)：“多年以來(lái)，我在即興研究方面得到了一些經(jīng)驗(yàn)。我在學(xué)術(shù)環(huán)境中工作的時(shí)間還不夠長(zhǎng)，但是到目前為止，我還是很滿意的?！?/p>

談到企業(yè)家和學(xué)者之間的主要區(qū)別時(shí)，雷格利表示，作為企業(yè)家的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)更高，但是可以更迅速地看到成敗。在學(xué)術(shù)生活中，則需要更多的毅力、以及對(duì)負(fù)面結(jié)果的寬容。但不可否認(rèn)的是，兩個(gè)世界都令人感到興奮和激動(dòng)。

原文標(biāo)題：德國(guó)科學(xué)家在液體中“拍攝”出固體 ！1分鐘、2束光，即可復(fù)刻勃蘭登堡門 | 專訪

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