Nature重磅：X交叉光片照相體積3D打印技術(shù),，Xolography無需支撐

增材制造的應(yīng)用范圍正在迅速擴(kuò)展,，包括批量生產(chǎn)運(yùn)動(dòng)鞋類零件,、牙科陶瓷、航空航天零件,、制造微流體,、醫(yī)療設(shè)備、人造器官等,。所使用的光固化3D打印技術(shù),，由于對(duì)空間和時(shí)間的高度控制而特別成功，但這些技術(shù)仍具有點(diǎn)狀或分層生成的常見圖案,，如SLA,、激光粉末床融合、連續(xù)液體界面生產(chǎn)（CLIP）,，Volumetric體積3D打印技術(shù)是發(fā)展得下一個(gè)方向,。
△X交叉光片照相體積光固化3D打印機(jī)

2020年12月23日，南極熊注意到,，頂級(jí)期刊《nature》上重磅發(fā)布了一篇論文Xolography for linear volumetric 3D printing,，可以理解為X線照相體積3D打印技術(shù)。文章作者來自德國(guó)勃蘭登堡應(yīng)用技術(shù)大學(xué)Martin Regehly和洪堡大學(xué)Stefan Hecht,，該技術(shù)允許以高達(dá)25微米的特征分辨率和55立方毫米/秒的固化速度3D打印物體,。

△X交叉光片照相體積3D打印原理

xolography是一種雙光技術(shù)，它使用可以光轉(zhuǎn)換的光引發(fā)劑,，通過相交不同波長(zhǎng)的光束進(jìn)行線性激發(fā),，從而在特定的單體體積內(nèi)引發(fā)光敏樹脂的局部聚合,。科學(xué)家們使用容積式打印機(jī)演示了這一概念,，打印出具有復(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)的體積3D打印方法相比，此技術(shù)的分辨率約為無反饋優(yōu)化的計(jì)算機(jī)軸向平版打印技術(shù)的十倍,，并且體積生成速率比雙光子聚合3D打印技術(shù)高出四到五個(gè)數(shù)量級(jí),。
△實(shí)拍視頻：X交叉光片照相體積3D打印技術(shù)

體積3D打印是3D打印的一種全新形式，從字面上速度大大加快,。它基于將光圖像從不同角度投射到透明樹脂內(nèi)部,。重復(fù)曝光會(huì)導(dǎo)致3D對(duì)象以極快的速度在樹脂槽中凝固。


讓南極熊3D打印網(wǎng)覺得更厲害的是,，德國(guó)柏林科學(xué)家們已經(jīng)就這項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)立了一家公司xolo,，將對(duì)其進(jìn)行商業(yè)化。如果成功的話,，體積3D打印將會(huì)與現(xiàn)有3D打印技術(shù),，尤其是SLA、LCD和DLP光固化工藝,，產(chǎn)生強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力。

X交叉光片照相體積3D打印技術(shù)原理


△X交叉光片照相體積3D打印樣品,，物體直接在樹脂槽中凝固完成


在一缸樹脂中,，應(yīng)用兩種不同波長(zhǎng)的射線。第一波長(zhǎng)“激活”一個(gè)區(qū)域,，然后第二個(gè)相交的波長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致被激活的樹脂聚合凝固,。或者是可以抑制聚合,！

究竟是如何運(yùn)作,？事實(shí)證明，xolo的方法是將“射線光片”投射到透明樹脂桶中,�,！� Sheets”似乎很像一個(gè)層，但是有很多不同的角度,，并不像其他3D打印過程那樣依靠堆疊來3D打印對(duì)象,。一定厚度的矩形光照射一定體積的粘性樹脂。選擇光的波長(zhǎng)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(gè)分子環(huán)來激活,；這個(gè)反應(yīng)只發(fā)生在光圈內(nèi)。

第二束光投射出3D對(duì)象的切片圖像,，引發(fā)樹脂材料凝固,。第二束的波長(zhǎng)與第一束不同,，任何被激發(fā)的DCPI分子都會(huì)引發(fā)樹脂聚合，使薄片固化,。然后,，樹脂相對(duì)于光片的位置移動(dòng)，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(gè)新的位置重新開始，從而一片片地構(gòu)建對(duì)象,。投影機(jī)處于固定位置,，同時(shí)旋轉(zhuǎn)大桶以呈現(xiàn)不同的視圖�,？茖W(xué)家們解釋：

“正交布置的投影儀產(chǎn)生第二波長(zhǎng)的光,，并將3D模型的截面圖像聚焦到光片平面中。只有處于激活狀態(tài)的引發(fā)劑分子吸收投影儀的光,，并導(dǎo)致電流層聚合,。通過在固定體積的光學(xué)裝置同步移動(dòng)樹脂槽期間，投射黑白圖像的視頻,，可以連續(xù)制造3D模型零件,。”

“光薄片”方法可確保任何特定的體素在整個(gè)過程中,，僅暴露于固化光一次,。這將使打印結(jié)果具有非常高的準(zhǔn)確性，因?yàn)橥队皶r(shí)光學(xué)系統(tǒng)已調(diào)整為呈現(xiàn)0.021毫米見方的像素,。

△X交叉光片照相體積3D打印機(jī)核心組成模塊

激光系統(tǒng)：405nm的二極管激光器轉(zhuǎn)換為激光線,，并通過透鏡準(zhǔn)直，生成均勻的薄光片,。薄光片的厚度決定z軸分辨率,。

投影機(jī)：從要?jiǎng)?chuàng)建的3D模型獲得的切片圖像的視頻將顯示并聚焦到光片中。當(dāng)容器離開投影機(jī)時(shí),，投影機(jī)會(huì)發(fā)出可見光并保持焦點(diǎn),。x和y方向上的分辨率取決于投影儀的分辨率和所需的物體尺寸。

X線照相：交叉光束（x）產(chǎn)生整個(gè)物體（整體）,。稱其為X線照相術(shù),。特定波長(zhǎng)的光片會(huì)激活光引發(fā)劑的薄層。正交布置的投影儀將3D模型的截面圖像發(fā)射到光片中,。只有引發(fā)劑分子吸收光并開始聚合,。投影與移動(dòng)的樹脂體積和縮放同步，從而實(shí)現(xiàn)3D打印。

無需支撐的光固化3D打印

南極熊相信,，很多讀者都會(huì)有疑問,，“它的支撐結(jié)構(gòu)怎么辦呢？”,。事實(shí)證明,，無論模型有多么復(fù)雜，X線照相光固化3D打印技術(shù)都不需要支撐結(jié)構(gòu),。這是因?yàn)榇蛴∽鳂I(yè)的松散部分暫時(shí)被周圍的粘性樹脂支撐,。

Xolo解析說，光敏樹脂材料單體的交聯(lián),，會(huì)導(dǎo)致密度變化,，從而導(dǎo)致零件在重力作用下的下沉速率不同。樹脂的高打印速度和粘度使這種影響最小化,，因此零件的下沉僅在制造完成后才變得明顯,。”

真是難以置信�,�,！

X交叉光片照相體積3D打印的速度

那么，X交叉光片照相體積3D打印的速度到底有多快,？論文表明,，它的速度是雙光子3D打印技術(shù)的10,000-100,000倍。而且雙光子技術(shù)只能打印一些很小的物體,，并且打印速度非常慢,。但X線體積3D打印意味著大約每小時(shí)可以3D打印固化一升材料；如果使用更強(qiáng)大的激光光源和更精細(xì)的樹脂,，打印速度將大大提高。

美國(guó)Carbon憑借CLIP連續(xù)液面光固化3D打印技術(shù),，已經(jīng)發(fā)展成為全球的3D打印大型廠商,，估值超20億美元。南極熊猜想,，德國(guó)xolo憑借X交叉光片照相體積3D打印技術(shù),，未來也有望成為3D打印獨(dú)角獸企業(yè)。


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