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目前，增材制造的應(yīng)用范圍正在迅速擴(kuò)大，包括運(yùn)動(dòng)鞋部件、牙科陶瓷和航空航天部件的大規(guī)模生產(chǎn)，以及微流體、醫(yī)療設(shè)備和人工器官的制造。所使用的光誘導(dǎo)增材制造技術(shù)，由于其高度的時(shí)空控制而尤為成功，但這些技術(shù)仍然具有點(diǎn)狀或?qū)訝钌傻墓餐瑔?wèn)題，如立體光刻、激光粉末床熔化、連續(xù)液體界面生產(chǎn)及其衍生品。而立體3D打印，是連續(xù)增材制造方法下一步的方向。

近日，來(lái)自德國(guó)勃蘭登堡應(yīng)用科學(xué)大學(xué)的Martin Regehly & 德國(guó)洪堡大學(xué)的Stefan Hecht等研究者，介紹了xolography，一種雙色技術(shù)，利用不同波長(zhǎng)的交叉光束在線性激發(fā)下，利用可光開(kāi)關(guān)的光引發(fā)劑，誘導(dǎo)受限單體立體內(nèi)的局部聚合。相關(guān)論文以題為“Xolography for linear volumetric 3D printing”今天發(fā)表在頂級(jí)期刊Nature上。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-020-3029-7

在此，研究者提出了一種立體3D打印工藝，在該工藝中，整個(gè)樹(shù)脂立體的結(jié)構(gòu)被保留，復(fù)雜的多組分物體是由周圍的粘性流體基質(zhì)制造和穩(wěn)定的。與基于薄片的方法不同，懸垂特征的支撐結(jié)構(gòu)需要精細(xì)的后處理，不再需要了，與層界面相關(guān)的各向異性消失了，脆弱的軟物體可以凝固。這種方法代表了一個(gè)完整系統(tǒng)的一步制造，不需要后期裝配，但仍然包含移動(dòng)部件。

到目前為止，兩種不同的基于光的立體測(cè)量技術(shù)得到了最多的關(guān)注。為了制造高分辨率的微尺度物體，雙光子光聚合是最先進(jìn)的技術(shù)，并且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了特征尺寸在100納米以下的物體。一個(gè)主要的限制是立體產(chǎn)生率，通常遠(yuǎn)低于1-20 mm3h-1，這是由于潛在的非線性吸收過(guò)程硬化樹(shù)脂空間中的局部立體。

對(duì)于宏觀物體的立體增材制造，需計(jì)算軸向光刻旋轉(zhuǎn)均勻的樹(shù)脂立體，同時(shí)多個(gè)圖像以確定的角度投射到目標(biāo)材料。暴露的疊加層導(dǎo)致形成自由基的累積劑量分布，在30-120秒內(nèi)固化厘米大小的物體，并使其他區(qū)域低于聚合閾值。該技術(shù)需要樹(shù)脂的非線性響應(yīng)來(lái)定義閾值，目前它是由氧抑制過(guò)程介導(dǎo)的。據(jù)報(bào)道，打印物體的分辨率為300μm，在打印過(guò)程中，由于光線穿過(guò)部分或已經(jīng)聚合的區(qū)域，造成劑量波動(dòng)。最近，優(yōu)化和包含了一個(gè)反饋系統(tǒng)，試圖在第二次打印同一物體時(shí)補(bǔ)償這些影響，結(jié)果得到80-μm陽(yáng)性和500-μm陰性的特征尺寸。

在此，研究者通過(guò)使用兩束相交的不同波長(zhǎng)的光，固化局部區(qū)域來(lái)消除上述非線性。這種方法被稱為雙色光聚合(DCP)，是Swainson早期提出的。固化是由加入到樹(shù)脂中的雙色光引發(fā)劑介導(dǎo)的，光引發(fā)劑被第一波長(zhǎng)激活，而對(duì)第二波長(zhǎng)的吸收要么(1)引發(fā)光聚合，要么(2)抑制光聚合。

此文中，研究者用一臺(tái)立體打印機(jī)演示了上述概念，該打印機(jī)可以生成具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)特征以及機(jī)械和光學(xué)功能的三維物體。與最先進(jìn)的立體打印方法相比，該技術(shù)的分辨率約為無(wú)反饋優(yōu)化的計(jì)算軸向光刻的10倍，立體產(chǎn)生速率比雙光子光聚合高4-5個(gè)數(shù)量級(jí)。該3D技術(shù)允許以最高25微米的特征分辨率和最高55立方毫米/秒的凝固速度打印固體物體，同時(shí)可以打印出毫米到厘米大小、具有微米大小特征的物體。它依賴于由兩束光線交匯引發(fā)的化學(xué)反應(yīng)。甚至該技術(shù)，僅需幾秒鐘，就可以完成一次高分辨率的3D打印。

圖1 Xolography 3D打印技術(shù)。

圖2立體數(shù)字制造。

圖3 高分辨率物體特征的表征。

綜上所述，研究者介紹了一種基于分子光開(kāi)關(guān)，不需要任何非線性化學(xué)或物理過(guò)程的立體雙色3D打印技術(shù)。這是一種非常靈活的方法，可以用現(xiàn)成的、具有成本效益的組件來(lái)實(shí)現(xiàn)。本文中的xolography，將促進(jìn)從光引發(fā)劑和材料發(fā)展轉(zhuǎn)向投影和光片技術(shù)的研究領(lǐng)域，以及大量依賴于快速、高分辨率的立體3D打印的應(yīng)用。