這些神奇的動圖都出自最近發表在《科學》（Science）上的一篇有關(guan) 3D打印技術的研究論文[1]。這種新技術顯然也征服了期刊的編輯，在期刊封麵上都出現了這個(ge) 從(cong) 液體(ti) 中打印出來的“倒立鐵塔”的身影。那麽(me) ，這種液體(ti) 3D打印技術究竟有什麽(me) 過人之處？球和塔又是怎麽(me) 從(cong) 液體(ti) 裏“拉”出來的呢？

把相對容易流動的液體(ti) 材料變成固體(ti) ，這種思路其實並不新鮮，硫化橡膠就是這種材料加工方式的典型例子。那麽(me) ，固化的過程是如何發生的呢？下麵，就讓我們(men) 來看圖說話：

在圖中，小a、小b、小c等等是一群活潑的聚合物分子，因為(wei) 這些鏈狀的分子之間很容易相互移動，所以看上去是一灘黏黏的液體(ti) （有時候可能粘度很大，比如硫化前的天然橡膠，它從(cong) 樹上滴下來的速度非常緩慢）。有一天惡魔把一把單純善良的固化劑混進了小兄弟裏麵，小兄弟活潑依舊，絲(si) 毫沒有發現危險的存在。突然有一天惡魔把這灘小兄弟連固化劑一起放進了高溫高壓的一個(ge) 東(dong) 西裏麵（一般稱為(wei) 硫化機/熱壓機），然後看似無害的固化劑長出了魔爪，死死抓住了小兄弟們(men) ，一個(ge) 又一個(ge) 的魔爪分別抓住不同的兄弟們(men) ，產(chan) 生了很多交聯結構，即使沒有了高溫高壓也不會(hui) 再放開。最後小兄弟們(men) 再也不能隨便活動了，這灘液體(ti) 也變成了硬硬的一塊——這就是固化過程的通（dou）俗（bi）解釋。當然也有些固化劑的固化原理是引發小分子聚合物上的基團相互反應的，這種一般被稱為(wei) 引發劑。

在從(cong) 液體(ti) 裏“拉”出固體(ti) 的3D打印技術當中，活化固化劑的方式從(cong) 熱壓變成了光，所以這種技術被稱為(wei) 立體(ti) 光固化成型（Stereo lithography Appearance，SLA）。這裏所用到的液體(ti) 材料被稱為(wei) 光敏樹脂，一般是環氧樹脂或不飽和聚酯等摻雜一些對特定波長敏感的光引發劑製成的。這類技術本身也並不是什麽(me) 新生事物了，它的曆史可以追溯到1984年[2]。

簡單來說，立體(ti) 光固化的過程就是光照射光敏樹脂表麵，使其固化成薄薄的一層固體(ti) ，已經固化完成的部分被一塊基板黏附著，逐漸與(yu) 光照射麵拉開一定距離（通常是每次移動十幾個(ge) 微米），然後在上一層固化樹脂的基礎上再進行下一層的照射和固化。經過層層固化疊加之後，最終就形成一個(ge) 完整的立體(ti) 結構。下麵這張圖表示的就是SLA設備的基本結構，固化反應發生在打印樹脂與(yu) 透光玻璃板的交界麵上，由於(yu) 光照射麵在液麵的下方，打印的過程看上去就像從(cong) 液體(ti) 裏“拉”出了打印製件一樣。

而這次的論文展示的是一種名叫連續液態界麵製造（Continuous Liquid Interface Production，CLIP）的改良技術，從(cong) 本質上講，它也是立體(ti) 光固化技術的一種。但作為(wei) 登上《科學》封麵的新技術，它絕不僅(jin) 僅(jin) 是這麽(me) 簡單。CLIP技術不僅(jin) 可以穩定地提高3D打印速度，同時還可以大幅提高打印精度。這種新型的CLIP技術製作一個(ge) 普通模型所需要的時間隻有短短幾分鍾，與(yu) 傳(chuan) 統方法相比快了幾十倍。而且，它還可以相對輕鬆地得到無層麵（layerless）的打印製品（參見下圖）。與(yu) 傳(chuan) 統光固化技術相比，CLIP帶來的這種改變可以堪稱是革命性的。

打印製品的顯微結構。圖片來自原論文

所有的3D打印過程都需要麵對打印精度與(yu) 打印速度的權衡問題。比如平時最常見的熔絲(si) 沉積（Fused Deposition Modeling，FDM）的打印方式，這種方式需要將加熱熔化的材料像擠奶油一樣地擠出來，並逐層堆積形成需要的形狀。擠出的熔化材料的粗細會(hui) 直接影響製品的精度和打印速度，在實際操作中，打印精度往往讓步於(yu) 打印速度。為(wei) 了在人們(men) 能夠接受的時間內(nei) 得到製品，FDM製品的表麵幾乎都會(hui) 留下明顯的平行紋理。傳(chuan) 統的SLA技術雖然每一層的打印速度快於(yu) FDM，並且可以通過將模型切成更薄切片進行打印的方法來使層麵結構變得相對不那麽(me) 明顯，但是要做到無層麵結構幾乎是不可能的。即使在保證最基礎打印精度的情況下進行打印，我們(men) 采用SLA技術的一個(ge) 變種DLP（它采用投影儀(yi) 作為(wei) 光源，而不是像傳(chuan) 統SLA那樣使用紫外激光）技術打印一個(ge) 15厘米高的埃菲爾鐵塔模型也需要大約2小時。然而，這種新型的CLIP技術卻打破了這種兩(liang) 難局麵，在保證精度的前提下極大地提高了打印速度。它為(wei) 什麽(me) 能產(chan) 生如此革命性的改變？把打印麵放大來仔細對比研究一下，就能發現其中的玄機：

傳(chuan) 統SLA技術（上圖）與(yu) 改良的CLIP技術（下圖）對比

傳(chuan) 統SLA技術的固化受光引發劑種類、光引發劑濃度、光照強度和照射時間等條件的影響，一般引發劑濃度越高，光強度越高固化速度越快。光的強度會(hui) 隨著射入物體(ti) 的深度逐漸降低，隻有靠近照射麵的一小部分會(hui) 固化的相對均勻和徹底，理論上打印的精度完全取決(jue) 於(yu) 具有足夠能量激活引發劑的光能夠穿透多深的樹脂。理論上講，隻要提高引發劑濃度和光強就可以加快打印速度，但因為(wei) 固化反應發生在樹脂與(yu) 透光板的交界麵上，過快的反應速度很容易使製件和透光板粘在一起，導致打印失敗。

在此前，解決(jue) 這一問題的方法主要是降低固化速度，在樹脂完全固化之前移動底板，使部分固化的樹脂與(yu) 透光板脫離接觸，新的低粘度樹脂會(hui) 補充到原來的位置，然後再開始下一層的固化。但這樣一來，打印速度就無法有效提高了。

而在新的CLIP係統中，研究者們(men) 通過固化-阻聚效應的平衡巧妙地解決(jue) 了這個(ge) 問題。CLIP底麵的透光板采用了透氧、透紫外光的特氟龍材料（聚四氟乙烯），而透過的氧氣進入到樹脂液體(ti) 中可以起到阻聚劑的作用，阻止固化反應的發生。氧氣和紫外光照的作用在這個(ge) 區域內(nei) 會(hui) 產(chan) 生一種相互製衡的效果：一方麵，光照會(hui) 活化固化劑，而另一方麵，氧氣又會(hui) 抑製反應，使得靠近底麵部分的固化速度變慢（也就是所謂的“dead zone”）。當製件離開這個(ge) 區域後，脫離氧氣製約的材料可以迅速地發生反應，將樹脂固化成型。在傳(chuan) 統的SLA技術中，抑製固化的氧氣本來是人們(men) 避之不及的存在，但是經過巧妙設計之後，它反而成了提高打印效率的幫手，這也算是一種相當戲劇性的逆轉。

除了快，CLIP係統也提高了3D打印的精度，而這一點的關(guan) 鍵還也在“死區”上。傳(chuan) 統的SLA技術在打印換層的時候需要拉動尚未完全固化的樹脂層，為(wei) 了不破壞樹脂層的結構，每個(ge) 單層切片都必須保證一定的厚度來維持強度。而CLIP的固化層下麵接觸的是液態的“死區”，不需要擔心它與(yu) 透光板粘連，因此自然也更不容易被破壞。於(yu) 是，樹脂層就可以被切得更薄，更高精度的打印也就能夠實現了。

這樣的方法聽起來很簡單，不過為(wei) 了讓它順利工作，研究人員們(men) 也進行了相當複雜的計算與(yu) 調試。通過合適的打印條件和原料液配方控製，困擾3D打印技術已久的高速連續化打印問題在CLIP技術中被完全克服，這是高分子學科工程史上一次融合應用的創舉(ju) ，登上《科學》封麵確實當之無愧。