数秒即可完成高分辨率3D打印

已经开发出一种3D打印技术，该技术可以生产具有微米级特征的毫米到厘米级的物体。它依赖于两个光束相交触发的化学反应。

在星际迷航宇宙中，称为复制器的设备可以在几秒钟内显示出固体物质。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。一种称为体积增材制造（VAM）的3D打印类型使用光来快速固化一定体积的液态前驱物中的物体。Regehly等人在《自然》中写作。1报告了VAM的进展，该技术允许以高达25微米的特征分辨率和高达55立方毫米/秒的固化速度打印固体物体。

研究人员称此过程X射线照相法是因为它使用两个不同波长的交叉（x）光束来固化整个物体（全息影像） 。3D打印机具有在三个正交方向上操纵打印头或打印对象的龙门架，以将打印机的喷嘴定向到下一个位置以沉积材料。

3D打印机一次使用光来引发整个液态起始材料的聚合，从而使固体以每小时500毫米的速度从液体中抽出。如果光通量和聚合动力学得到适当调整，则打印的物体是整体的-它没有逐层打印过程可能产生的任何伪像。VAM消除了从原材料中抽出物体的需要，简化了工艺流程，并加快了制造速度。与其他方法相比，它还可以生产更高质量的零件，并且不需要打印对象的支撑结构，在打印后必须将其移除。

VAM的以前变体包括双光子光聚合（TPP）3，4和计算机轴向光刻（CAL）5，6。在TPP中，飞秒激光脉冲（1飞秒为10 – 15秒）用于聚合纳米级构造块，可以将其分层以制造微结构。TPP速度很慢，每小时的打印速度仅为1-20立方毫米，通常用于制作毫米级的物体，但它可以100纳米的分辨率打印特征。

相比之下，CAL通过允许快速固化厘米级的物体，将VAM的能力向另一个方向移动。在CAL中，使用算法控制在不同体素（3D像素）处的累积曝光量，将图像以不同角度投影在液体前体的旋转体积周围。这是与使用溶解氧防止自由基物质引发不希望的聚合反应的系统协同完成的，因此仅使目标体积固化。CAL可以在几秒钟内实现100微米的特征尺寸并制造厘米级的零件，但是它需要使用反馈系统进行计算机优化，这增加了设备成本和总打印时间。

Regehly及其同事报告了在VAM中引发聚合反应的新化学方法，该化学方法可以更好地控制引发和聚合反应发生的液体的体积。他们的技术可以将分辨率提高到以前报道的宏观VAM技术的十倍，而不会牺牲打印速度。

X线照相术的过程如下。一定厚度的矩形光通过一定体积的粘性树脂发光（图1）。选择光的波长以通过裂解分子主链中的分子环来激发溶解在树脂中的称为双色光引发剂（DCPI）的分子。该反应仅在光片内发生。

一种高分辨率3D打印的方法。

该技术使用光固化来自液态前体的物体。矩形光片（蓝色）穿过一定体积的粘性树脂，并激活溶解在树脂中的称为双色光引发剂（DCPI，未显示）的分子。然后，第二光束（红色）将要打印的物体切片的图像投影到光片的平面中。第二束光的波长与第一束光的波长不同，并导致任何活化的DCPI引发树脂的聚合反应，从而固化了两个波长相交的树脂。然后通过线性移动树脂体积将光片移动到新位置，然后再次开始该过程，逐层堆积对象。

第二光束将要打印的3D对象切片的图像投射到光片的平面中。第二束光的波长不同于第一束光的波长，并导致任何激发的DCPI分子引发树脂的聚合反应，从而固化切片。然后使树脂体积相对于固定的轻薄板的位置移动。这改变了光片在树脂中的位置，因此激活和引发过程可以在新的位置再次开始，从而逐层堆积对象。

研究人员通过在直径为8毫米的球形笼中打印被捕获为松散物体的球来证明其技术的有效性（图2）。使用常规的逐层3D打印，将需要使用将球连接到笼子的支撑进行球的印刷，并且之后很难将其取出。X射线照相术提供的高分辨率还使其可以直接打印机械系统，例如可以在液体或空气流中在轴上旋转的刀片。

图2 | 由X射线摄影术产生的复杂物体。Regehly及其同事已使用X射线照相术打印出具有高分辨率特征的多个复杂对象，包括将球作为松散对象捕获在球形笼中。使用常规3D打印过程通常很难直接打印此类对象。这些图像显示了正在打印的对象（a）和处理后的对象（b）。保持架直径为8毫米。

在一个更加雄心勃勃的****中，Regehly等人。用X射线照相术印刷了非球面的鲍威尔透镜（参见图2g–i），这是一种用于将激光束转换为直线，均匀光线的透镜。在空气中，镜头将一条狭窄的绿色激光束拉伸成投影的直线。透镜的光学性能表明，印刷材料的结构非常均匀，没有缺陷。最后，研究人员打印了一个高度详细的3厘米直径的人的半身像，具有精确定义的内部解剖特征，例如挖空的鼻腔通道和食道。

目前，X射线摄影术的主要局限性是可以印刷的体积，因为它受到光束可以穿透到树脂中的距离的限制。而且，由于该方法需要移动树脂体积，因此与较短的物体相比，在移动方向上具有较大尺寸的物体将成比例地花费更多时间。并且，尽管所报道的化学方法能够实现高分辨率打印，但它也限制了可用于X射线照相术的材料。

尽管有这些局限性，但X射线照相术以及其他一般VAM方法仍具有许多可能性。现在可以将类似于数字光处理的先驱技术（DLP，一种传统的逐层3D打印方法，其中通过光引发固化）应用于VAM。例如，灰度照明可用于制造刚度渐变的对象。这将发现许多应用程序，例如加固不同3D打印组件之间的界面，以及不寻常的工程机制，例如活动铰链（由与它们连接的刚性零件相同的材料形成的柔性接头）。

据预测，通过使用更好的光学系统（例如功能更强的激光器），可以进一步提高X射线照相术的特征分辨率和体积生成率。但是，对于所有VAM系统而言，仍然存在一些挑战，例如将打印量从立方厘米扩大到立方米，并找到在同一打印中使用多种材料的方法。

改进的打印速度和新材料的出现使DLP方法可以用于跑步鞋的中底的大规模定制，这是产品开发过程的一部分。如果使用VAM和X射线照相术可以取得类似的进步，则可以实现商业产品的批量生产。肯定还有其他机会，包括尚不能使用3D打印的应用程序。对于这一领域而言，这确实是一个令人兴奋的时刻。