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首頁 > 資訊中心青島3D打印超高分辨物體僅需幾秒
發(fā)布時間：2020-12-28
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在《星際迷航》宇宙中，稱為復(fù)制器的設(shè)備可以在幾秒鐘內(nèi)打印出固體物質(zhì)。由于材料科學(xué)的進步，這些科幻小說里的裝置可能比人類想象得更接近現(xiàn)實。一種稱為體積增材制造（VAM）的3D打印技術(shù)使用光來快速固化一定體積的液態(tài)前驅(qū)物。今日，德國勃蘭登堡應(yīng)用技術(shù)大學(xué)Martin Regehly和洪堡大學(xué)Stefan Hecht報道了VAM的最新研究進展，該技術(shù)允許以高達25微米的特征分辨率和55立方毫米/秒的固化速度打印固體物體。研究人員稱這個過程為X線攝影（Xolography），因為它使用兩束不同波長的交叉(x)光束來固化整個物體。相關(guān)結(jié)果以“Xolography for linear volumetric 3D printing”為題發(fā)表在Nature期刊上。
研究內(nèi)容
傳統(tǒng)的3D打印機有一個架臺，它可以在三個正交方向上操縱打印頭或打印對象，以將打印機的噴嘴定向到下一個位置以沉積材料。但是，最快的3D打印機使用光誘導(dǎo)整個液態(tài)起始材料的聚合，從而使固體以每小時500毫米的速度從液體中抽出。VAM消除了從原材料中繪制物體的需要，簡化了工藝流程，并加快了制造速度。與其他方法相比，它還可以生產(chǎn)更高質(zhì)量的零件，并且無需打印后必須移除的打印對象支撐結(jié)構(gòu)。
VAM之前的變體包括雙光子光聚合（TPP）和計算機軸向光刻（CAL）。在TPP中，飛秒激光脈沖用于聚合納米級構(gòu)造塊，可以將其分層以制造微結(jié)構(gòu)。TPP速度很慢，每小時的打印速度僅為1-20立方毫米，通常用于制作毫米級的物體，但它具有100納米的分辨率打印特征。
相比之下，CAL通過允許快速固化厘米級的物體，將VAM的能力向另一個方向移動。在CAL中，使用算法控制在不同體素（3D像素）處的累積曝光量，將圖像以不同角度投影在液體前體的旋轉(zhuǎn)體積周圍。這與使用溶解氧防止自由基物質(zhì)引發(fā)不必要聚合反應(yīng)的系統(tǒng)協(xié)同完成，因此只有目標(biāo)體積才能固化。CAL可以在短短幾秒鐘內(nèi)實現(xiàn)100m的特征尺寸并制造厘米級的零件，但是它需要使用反饋系統(tǒng)進行計算機優(yōu)化，這增加了設(shè)備成本和總打印時間。
Regehly及其同事報告了在VAM中引發(fā)聚合反應(yīng)的新化學(xué)方法，該化學(xué)方法可以更好地控制引發(fā)和聚合反應(yīng)發(fā)生的液體體積。他們的技術(shù)可以將分辨率提高到以前報道的宏觀VAM技術(shù)的十倍，而不會犧牲打印速度。
X線照相術(shù)的過程如下：一定厚度的矩形光照射一定體積的粘性樹脂（圖1）。選擇光的波長來激活被稱為雙色光引發(fā)劑(DCPIs)的分子，通過切割分子主鏈上的一個分子環(huán)來激活；這個反應(yīng)只發(fā)生在光圈內(nèi)。
第二束光投射出3D對象的切片圖像，將被打印到燈片平面上。第二束的波長與第一束不同，任何被激發(fā)的DCPI分子都會引發(fā)樹脂聚合，使薄片固化。然后，樹脂相對于光片的位置移動，光片是固定的。這改變了光片在樹脂中的位置，因此激活和誘發(fā)過程可以在一個新的位置重新開始，從而一片片地構(gòu)建對象。
Xolography 3D打印技術(shù)
作者通過在直徑為8毫米的球形籠子中打印被捕獲為松散物體的球來證明其技術(shù)的有效性（圖2a-c）。使用常規(guī)的逐層3D打印，需要使用將球連接到籠子的支撐架進，并且之后很難將其取出。高分辨率的X射線照相術(shù)還可以直接打印機械系統(tǒng)，例如可以在液體或氣流中在軸上旋轉(zhuǎn)的刀片（圖2d-f）。
研究內(nèi)容
傳統(tǒng)的3D打印機有一個架臺，它可以在三個正交方向上操縱打印頭或打印對象，以將打印機的噴嘴定向到下一個位置以沉積材料。但是，最快的3D打印機使用光誘導(dǎo)整個液態(tài)起始材料的聚合，從而使固體以每小時500毫米的速度從液體中抽出。VAM消除了從原材料中繪制物體的需要，簡化了工藝流程，并加快了制造速度。與其他方法相比，它還可以生產(chǎn)更高質(zhì)量的零件，并且無需打印后必須移除的打印對象支撐結(jié)構(gòu)。
VAM之前的變體包括雙光子光聚合（TPP）和計算機軸向光刻（CAL）。在TPP中，飛秒激光脈沖用于聚合納米級構(gòu)造塊，可以將其分層以制造微結(jié)構(gòu)。TPP速度很慢，每小時的打印速度僅為1-20立方毫米，通常用于制作毫米級的物體，但它具有100納米的分辨率打印特征。
相比之下，CAL通過允許快速固化厘米級的物體，將VAM的能力向另一個方向移動。在CAL中，使用算法控制在不同體素（3D像素）處的累積曝光量，將圖像以不同角度投影在液體前體的旋轉(zhuǎn)體積周圍。這與使用溶解氧防止自由基物質(zhì)引發(fā)不必要聚合反應(yīng)的系統(tǒng)協(xié)同完成，因此只有目標(biāo)體積才能固化。CAL可以在短短幾秒鐘內(nèi)實現(xiàn)100m的特征尺寸并制造厘米級的零件，但是它需要使用反饋系統(tǒng)進行計算機優(yōu)化，這增加了設(shè)備成本和總打印時間。
Regehly及其同事報告了在VAM中引發(fā)聚合反應(yīng)的新化學(xué)方法，該化學(xué)方法可以更好地控制引發(fā)和聚合反應(yīng)發(fā)生的液體體積。他們的技術(shù)可以將分辨率提高到以前報道的宏觀VAM技術(shù)的十倍，而不會犧牲打印速度。
X線照相術(shù)的過程如下：一定厚度的矩形光照射一定體積的粘性樹脂（圖1）。選擇光的波長來激活被稱為雙色光引發(fā)劑(DCPIs)的分子，通過切割分子主鏈上的一個分子環(huán)來激活；這個反應(yīng)只發(fā)生在光圈內(nèi)。
第二束光投射出3D對象的切片圖像，將被打印到燈片平面上。第二束的波長與第一束不同，任何被激發(fā)的DCPI分子都會引發(fā)樹脂聚合，使薄片固化。然后，樹脂相對于光片的位置移動，光片是固定的。這改變了光片在樹脂中的位置，因此激活和誘發(fā)過程可以在一個新的位置重新開始，從而一片片地構(gòu)建對象。
Xolography 3D打印技術(shù)
作者通過在直徑為8毫米的球形籠子中打印被捕獲為松散物體的球來證明其技術(shù)的有效性（圖2a-c）。使用常規(guī)的逐層3D打印，需要使用將球連接到籠子的支撐架進，并且之后很難將其取出。高分辨率的X射線照相術(shù)還可以直接打印機械系統(tǒng)，例如可以在液體或氣流中在軸上旋轉(zhuǎn)的刀片（圖2d-f）。