說到3D打印，你首先想到什麽(me) 缺點？

速度慢、精度低、打印出來的物體(ti) 看起來十分脆弱。

現在，這些缺點在最新的3D打印技術麵前都不是問題。

來自德國的一組團隊，現在能在幾秒內(nei) 完成一次3D打印，比之前最快的技術也要快上十倍，加工精度還很高，達到25微米（僅(jin) 不到頭發絲(si) 直徑一半）。

隻需要幾秒時間，就能打印出一個(ge) 立體(ti) 圖案：

打印出柏林地標建築勃蘭(lan) 登堡門也隻需68秒。

甚至還能將輪子、輪軸一起打印出來，無需後期組裝即可運轉。

你也不必擔心打印出來的物體(ti) 太脆弱，即使它遭到錘子重擊也不會(hui) 輕易散架。

快、準、穩是這種3D打印技術的最大特點。

現在，這項研究成果發表在了最新一期的Nature上。

在電影《星際迷航》中，有一種叫做“複製器”的設備。可以在幾秒鍾內(nei) 複製出另一個(ge) 物體(ti) 。

現在由於(yu) 材料科學的進步，這些科幻小說的裝置可能比我們(men) 想象的更接近現實。

傳(chuan) 統3D打印的缺點

為(wei) 何傳(chuan) 統3D打印慢？主要是因為(wei) 隻能打印完一層再打另一層。

常見的3D打印機用噴頭噴出樹脂，繼而一層層堆疊起來。一般打印一個(ge) 物體(ti) 可能需要幾小時甚至幾天。

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”的打印方式導致層與(yu) 層之間結合不太緊密。從(cong) 外觀上看“層次感”就非常明顯。受到外力後，層之間更是容易鬆脫。

之後，一家名為(wei) Carbon的3D打印創業(ye) 公司開發了一種全新的技術，大大提高了速度。

他們(men) 2015年發表在Science上的論文首次展示了這種技術，稱之為(wei) 連續液麵生成（CLIP），能比傳(chuan) 統的3D打印技術快上100倍。

CLIP之所以快，是因為(wei) 它一次能打印完一層。

這項技術就像拍照，用紫外光照射樹脂液體(ti) 表麵，讓其固化。等這一層固化完後，拉出液麵，再拍下一個(ge) 截麵，直到打印完整個(ge) 物體(ti) 。

速度問題是解決(jue) 了，但還有一個(ge) 問題：打印材料必須是一體(ti) 的。

比如文章開頭展示的軸承，輪和軸是分開的，CLIP技術也無能為(wei) 例，像下麵那種“籠中小球”，之前的3D打印技術也難以應付。

而且CLIP的打印速度雖然提升很多，對於(yu) 批量生產(chan) 來說仍然不夠。比如打印一片鞋底仍需要幾十分鍾。

在光片上，用另一束光雕刻

於(yu) 是，科學家們(men) 想出了一種新辦法：用激光在液體(ti) 上“雕刻”出想要的物體(ti) 。

這種液體(ti) ，在光照條件下能夠發生化學反應，從(cong) 而生成固體(ti) 物。

但如果隻用一束光讓液體(ti) 變成固體(ti) ，並不能很好地打印出想要的形狀，而是會(hui) 形成一根根直線：

那麽(me) ，利用兩(liang) 束光的交點呢？

如果一種液體(ti) 在經過兩(liang) 種光照反應後，才能生成固體(ti) ，那麽(me) 就能利用交點，在液體(ti) 中“雕刻”出想要的固體(ti) 形狀。

也就是說，需要找到一種液體(ti) 化合物，在二次光照反應後能生成固體(ti) 物。

現在，這種液體(ti) 化合物（雙色光引發劑，DCPI）已經被找到了，它的初始化學式長這樣：

在與(yu) 375nm的紫外線光進行反應後，它變成了這種化合物（花菁態）：

現在，這種花菁態化合物能夠跟波長位於(yu) 450~700nm之間的可見光反應，生成固體(ti) 聚合物。

這種方法，被稱之為(wei) Xolography，其中X即“交叉”，Holography即“全息照相術”，意為(wei) 利用交叉的光線，在液體(ti) 中“照”出一個(ge) 固體(ti) 來。

除了反應速度快，Xolography的優(you) 點在於(yu) ，與(yu) 紫外線光反應生成的花菁態化合物，還可以被回收並重複利用。

中間生成的花菁態化合物並不穩定，如果一直沒有被第二束可見光擊中，它就會(hui) 在室溫下以t1/2=6s的熱半衰期，恢複成原來的化合物，如下圖中△T。

然而，直接用兩(liang) 束光交叉的方法，存在一個(ge) 缺陷。

下圖是DCPI的初始化合物、與(yu) 反應後的花菁態化合物，和兩(liang) 種波長的光反應的吸光率。其中，黑色的曲線是初始化合物，藍色的曲線是花菁態化合物：

從(cong) 圖中可以看出，花菁態化合物，不僅(jin) 能與(yu) 可見光反應生成固體(ti) 聚合物，也能吸收可見光波長之外的光（包括紫外線光），產(chan) 生光引發反應。

因此，要保證這種花菁態化合物，隻能在紫外線光中暴露一次。

為(wei) 了實現這一目標，研究人員開發了一種叫做“光片法”的方法，將375nm二極管激光器的高斯光束轉換成發散激光光束，準直並聚焦到打印體(ti) 積的中心，形成一整個(ge) 紫外光片。

由於(yu) 光的衍射，生成的第一種化合物會(hui) 在液體(ti) 中呈現“中間窄、兩(liang) 邊寬”的情況（如圖中藍色部分）：

這時，再從(cong) 正麵將可見光垂直照入，形成固體(ti) 聚合物。

而中間最窄部分的寬度，就決(jue) 定了這種3D打印技術的分辨率。

采用這種“在光片上，用另一束光雕刻”的方法，沿光片的激發不均勻性可以保持在13%以下，非常穩定。

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

這項神奇的3D打印技術，由勃蘭(lan) 登堡應用科學大學的物理學家Martin Regehly等多位德國科學家造出。

事實上，此前也有人嚐試過用兩(liang) 束光交叉的方法，來進行3D打印，然而卻無法達到這種方法的精度。

這一技術的係統程序由Python編寫(xie) ，在樹莓派4上運行，用來控製激光器、線性軸和投影儀(yi) ，打印的速度和精度都挺不錯，批量打印也沒有問題。

未來或用於(yu) 生產(chan) 跑鞋

當然，Xolography現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(ti) 的體(ti) 積受到限製。

由於(yu) 該方法需要移動樹脂，如果打印方向上移動距離較長，打印時間也會(hui) 成比例地增加。

但是它超快的打印速度頗具實用化前景。研究人員已經想到，用它來加工定製的運動鞋鞋底。

阿迪達斯可能也是這麽(me) 想的。

早在2017年，阿迪達斯就已經嚐試使用3D打印來加工鞋底，當時他們(men) 利用Carbon3D的技術來打印Futurecraft 4D這款跑鞋鞋底。

像這種複雜結構的鏤空鞋底，傳(chuan) 統技術無法製造，隻能由3D打印來完成。

所以阿迪達斯找到Carbon公司來製造，不過加工一片鞋底的過程大約需要90分鍾，導致阿迪達斯在2017年大約隻生產(chan) 了5000雙這種跑鞋。

如果將來能把Xolography用在3D打印跑鞋上，那麽(me) 大批量生產(chan) 不再是夢想。

也許你以後就能用更低的價(jia) 格把最新科技穿在腳上了。

參考鏈接：https://www.nature.com/articles/d41586-020-03543-3https://www.nature.com/articles/s41586-020-3029-7#Sec18https://www.mrvision.org/en/regehly.html