南極熊導(dǎo)讀：人們越來越需要玻璃作為制造復(fù)雜微觀幾何形狀的材料,，從緊湊型消費品中的微光學(xué)器件到用于化學(xué)合成和生物分析的微流體系統(tǒng),。隨著玻璃的尺寸,、幾何形狀、表面粗糙度和機械強度要求的發(fā)展,，傳統(tǒng)的加工方法受到挑戰(zhàn),。科學(xué)家們介紹了熔融石英組件的微尺度計算軸向光刻 (micro-CAL),，通過斷層照射然后燒結(jié)的光聚合物-二氧化硅納米復(fù)合材料,，制造了內(nèi)徑為 150 微米的三維微流體，表面粗糙度為 6 納米的自由形式微光學(xué)元件,，以及最小特征尺寸為 50 微米的復(fù)雜高強度桁架和晶格結(jié)構(gòu),。
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2022-4-16 15:40 上傳
2022年4月16日，南極熊獲悉,，一項體積光固化3D打印玻璃微結(jié)構(gòu)新研究登上了《科學(xué)》雜志封面,，“Volumetric additive manufacturing of silica glass with microscale computed axial lithography”，加州大學(xué)伯克利分校研究人員的這種方法速度更快,，可以生產(chǎn)出具有更高光學(xué)質(zhì)量,、設(shè)計靈活和強度更高物體。
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2022-4-16 11:09 上傳
△3D打印的玻璃結(jié)構(gòu),，與美國便士大小對比示例,。圖片來自Joseph Toombs
研究人員與德國Albert Ludwig University of Freiburg大學(xué)的科學(xué)家開展合作，在他們?nèi)昵伴_發(fā)的3D打印工藝基礎(chǔ)上實現(xiàn)了新的突破（計算軸向光刻CAL）,。以實現(xiàn)更為精細(xì)的玻璃構(gòu)造,，他們將這個新系統(tǒng)稱為“micro-CAL”。
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2022-4-16 15:37 上傳
△極為光滑的表面
他們認(rèn)為,，玻璃是制造復(fù)雜微觀物體的首選材料,，包括但不限于智能手機、內(nèi)窺鏡、微型高質(zhì)量相機鏡頭,，以及用于分析或處理微量液體的微流體設(shè)備等,。但目前的制造方法可能會很慢、很昂貴,，無法滿足日益增長的工業(yè)化需求,。
△加州大學(xué)可打印高光學(xué)質(zhì)量玻璃微結(jié)構(gòu)視頻。視頻來自Joseph Toombs
CAL工藝與現(xiàn)有的3D打印工藝有著根本性的不同,，傳統(tǒng)的方法使用薄層材料構(gòu)建物體,。這種技術(shù)可能會耗費大量時間并導(dǎo)致粗糙的表面紋理。然而,，CAL可同時對整個對象進行3D 打�,。�
研究人員將激光投射到光敏材料中，形成一個三維光催化,，然后固化成所需的形狀,。CAL工藝沒有層紋，可實現(xiàn)光滑的表面和復(fù)雜的幾何形狀,。
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2022-4-16 11:14 上傳
Joseph T. Toombs 等人,，采用微尺度計算軸向光刻技術(shù)的石英玻璃體積增材制造，科學(xué)（2022 年）,。 DOI：10.1126/science.abm6459,，點我文獻傳送門
“當(dāng)我們在2019年首次發(fā)布這種方法時，那時CAL可以將物體打印成尺寸小至約三分之一毫米的聚合物,，”首席研究員兼機械工程教授Hayden Taylor說,。“現(xiàn)在,，通過micro-CAL,，我們可以打印小到20 μm的聚合物，或人類頭發(fā)寬度的四分之一,。而且這種方法不僅可以打印聚合物,，還可以制成玻璃，可精確到50 μm,。
為了打印玻璃,，Taylo和他的研究團隊還開發(fā)了一種特殊的樹脂材料，其中包含玻璃納米顆粒,，周圍環(huán)繞著光敏粘合劑液體,。然后，研究人員加熱打印出來的物體,，去除粘合劑,，將顆粒融合在一起，形成一個純玻璃的固體物體。
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2022-4-16 11:09 上傳
△Joseph Toombs在實驗室里用一把鑷子夾著一個3D打印玻璃微結(jié)構(gòu),。圖片來自Joseph Toombs
“其中的關(guān)鍵技術(shù)是粘合劑的折射率與玻璃的折射率幾乎相同,，因此光通過材料時幾乎沒有散射，”Taylor說,。
研究小組,，包括主要作者Joseph Toombs博士以及Taylor實驗室的學(xué)生等，他們還發(fā)現(xiàn)CAL打印的玻璃物體比傳統(tǒng)工藝更具有更一致的強度特征,�,！爱�(dāng)玻璃物體含有更多的缺陷或裂縫，或者表面粗糙時,，它們往往更容易破裂,，”Taylor說�,！耙虼耍c其他基于層的3D打印工藝相比,，能夠制造出更具有光滑表面的物體,，這是一個巨大的潛在優(yōu)勢�,！�
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2022-4-16 11:09 上傳
△3D打印的六邊形微透鏡電顯照片,。圖片來自Joseph Toombs
CAL 3D 打印方法為微型玻璃物體制造商提供了一種新的、更有效的方法,，可以滿足客戶對幾何形狀,、尺寸以及光學(xué)和機械性能的苛刻要求�,！澳軌蚋斓貫榭蛻籼峁└鼮閺�(fù)雜的新功能設(shè)備或成本更低的產(chǎn)品,，”Taylor說。
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2022-4-16 15:39 上傳
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Nature重磅：X交叉光片照相體積3D打印技術(shù),，Xolography無需支撐
2020年12月23日,，南極熊注意到，頂級期刊《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,。
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△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，通過相交不同波長的光束進行線性激發(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演示了這一概念，打印出具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)特征以及機械和光學(xué)功能的三維物體,。與最先進的體積3D打印方法相比,，此技術(shù)的分辨率約為無反饋優(yōu)化的計算機軸向平版打印技術(shù)的十倍，并且體積生成速率比雙光子聚合3D打印技術(shù)高出四到五個數(shù)量級,。
△實拍視頻：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)曝光會導(dǎo)致3D對象以極快的速度在樹脂槽中凝固,。
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讓南極熊3D打印網(wǎng)覺得更厲害的是，德國柏林科學(xué)家們已經(jīng)就這項技術(shù)創(chuàng)立了一家公司xolo,，將對其進行商業(yè)化,。如果成功的話，體積3D打印將會與現(xiàn)有3D打印技術(shù),，尤其是SLA,、LCD和DLP光固化工藝，產(chǎn)生強大的競爭力,。
X交叉光片照相體積3D打印技術(shù)原理
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△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)用兩種不同波長的射線,。第一波長“激活”一個區(qū)域,，然后第二個相交的波長會導(dǎo)致被激活的樹脂聚合凝固�,；蛘呤强梢砸种凭酆�,！
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究竟是如何運作？事實證明,，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),。
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第二束光投射出3D對象的切片圖像,，引發(fā)樹脂材料凝固。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,。投影機處于固定位置，同時旋轉(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,，因為投影時光學(xué)系統(tǒng)已調(diào)整為呈現(xiàn)0.021毫米見方的像素,。
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△X交叉光片照相體積3D打印機核心組成模塊
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：從要創(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)容器離開投影機時，投影機會發(fā)出可見光并保持焦點,。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)生整個物體（整體）。稱其為X線照相術(shù),。特定波長的光片會激活光引發(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,。投影與移動的樹脂體積和縮放同步,，從而實現(xiàn)3D打印。
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無需支撐的光固化3D打印
南極熊相信,，很多讀者都會有疑問,，“它的支撐結(jié)構(gòu)怎么辦呢,？”。事實證明,，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)。這是因為打印作業(yè)的松散部分暫時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,�,！�
真是難以置信啊,！
X交叉光片照相體積3D打印的速度
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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可以3D打印固化一升材料,；如果使用更強大的激光光源和更精細(xì)的樹脂，打印速度將大大提高,。
《Science》革命性“容積3D打印技術(shù)”,，幾十秒打印一個人像
2019年2月，全球頂級學(xué)術(shù)期刊《Science》上刊登了一篇革命性“容積3D打印技術(shù)”文章（Volumetric additive manufacturing via tomographic reconstruction.PDF）,，光照幾十秒即可打印出一個完整的人像,。
南極熊初步一看，感覺這個技術(shù)原理其實挺簡單
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△先在一個杯子里裝上光敏樹脂液態(tài)材料,，使用DLP光源進行體曝光,，轉(zhuǎn)盤帶動杯子進行旋轉(zhuǎn)，在指定的位置把樹脂固化,。 ![]()
△工作原理就像反向計算機斷層（CT）掃描一樣,，在CT機中，X射線管在患者周圍旋轉(zhuǎn),，拍攝人體內(nèi)部器官的照片,。然后，計算機再利用這些投影重構(gòu)出一幅3D畫面,。在計算機模擬一個3D物體的情況下,，研究人員從多個不同角度計算出物體的形狀,，然后將由此產(chǎn)生的2D圖像輸入一臺普通的幻燈片投影儀。投影儀將圖像投射到一個裝著丙烯酸酯（一種合成樹脂）的圓柱形容器中,。當(dāng)投影儀通過全方位覆蓋的圖像旋轉(zhuǎn)時,，容器也以相應(yīng)的角度旋轉(zhuǎn)。加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的電氣工程師泰勒說：“當(dāng)圓柱體旋轉(zhuǎn)時,，任何接收到光量的位置都可以單獨控制,。”“如果光的總量超過一定數(shù)值,，液體就會變成固體,。”
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△樹脂中的一種化學(xué)物質(zhì)會吸收光子,，而當(dāng)吸收的光子達到一定的門檻時,，丙烯酸酯就會聚合，形成固體塑料,。剩下的液體隨后被移除,，留下的就是固態(tài)的3D物體。幾十秒后,，杯子中便3D打印出來一個人像,。這速度要逆天啊,！比Carbon的CLIP連續(xù)液面打印技術(shù),，還要快很多，杯子旋轉(zhuǎn),，即可打印出來物體,。
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△“容積3D打印技術(shù)”核心思路
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△核心數(shù)學(xué)公式
這個系統(tǒng)的核心就是CAL算法，想要真正完成打印并不容易,。首先得進行三維模型的重建,，包括2D的傅里葉變換,。然后還得針對光敏液體的劑量進行優(yōu)化等等,。在打印過程中，還涉及氧氣抑制,、光場干涉,、3D空間和2D投影之間的轉(zhuǎn)換匹配等問題。
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△“容積3D打印技術(shù)”制作出來的其他物件
論文《Volumetric additive manufacturing via tomographic reconstruction》（Science 31 Jan 2019,；eaau7114 ,；DOI: 10.1126/science.aau7114）作者，來自美國UC伯克利和美國勞倫斯利佛摩國家實驗室,。
上面這個論文公布之后,，有一個北京的南極熊粉絲 吳翔 非常激動,，立馬向南極熊投訴：這個論文的作者抄襲了他2015年申請的專利，而且他已經(jīng)向中國美國歐洲都申請了專利,。![]()
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△專利“采用投影運算和反投影方法的成像和成型方法”,，國際申請?zhí)枺篜CT/CN2016/080097，申請人： 吳翔 WU, Xiang [CN/CN]; CN
專利摘要：采用投影運算和反投影方法制造二維或三維實像,。還包括利用實像完成二維顯示,、三維顯示、二維打印,、三維打印,。屬于平板顯示領(lǐng)域、3D立體顯示領(lǐng)域,、打印技術(shù)領(lǐng)域,、快速成型領(lǐng)域、增材制造領(lǐng)域,、3D打印領(lǐng)域,。方法類似于計算機斷層成像(CT)技術(shù)中投影數(shù)據(jù)采集和反投影重建方法。計算機斷層成像(CT)技術(shù)完成的是現(xiàn)實對象的投影數(shù)據(jù)采集和數(shù)字化的斷層圖像重建,，將實物轉(zhuǎn)化到虛擬數(shù)據(jù),。用投影運算取代投影數(shù)據(jù)采集，用現(xiàn)實的反投影方法取代數(shù)字化的反投影重建方法,，將虛擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化到實物或?qū)嵪�,。采用的投影射線包括光、電磁波,、高能射線,、粒子流、聲波,、沖擊波,、電流或化學(xué)波。
南極熊：有人問咱這個專利正在申請中,，不是一切尚待定嗎,，何以見得對方抄襲？
吳翔：聽到這種問法,，稍微懂點的法律知識的朋友也是一聲驚嘆,。在這次事件中，關(guān)心的是著作權(quán),。從一開始就和專利權(quán)獨立,。況且專利權(quán)我們也毫不怠慢，一定要取得到手,。值得一提的是,，千萬不要誤解專利文獻不是文獻,。恰恰相反的，寫論文抄襲了專利文獻也是剽竊,。
南極熊：都在哪些平臺發(fā)表公開過,？
吳翔：我們做這件事，從一開始就當(dāng)作技術(shù)創(chuàng)新來做,。尋求一種法律保護的方案,，當(dāng)然選擇登記專利了。現(xiàn)在美國專利商標(biāo)局,，中國國家知識產(chǎn)權(quán)局,，歐洲專利局，世界知識產(chǎn)權(quán)組織的數(shù)據(jù)庫都有公開我們的專利文獻,，遠在涉案論文發(fā)表之前很早很早,。
南極熊：你擁有這項技術(shù)的專利權(quán)后，會轉(zhuǎn)讓給國內(nèi)或者國外購買者嗎,？
吳翔：會的,，在市場經(jīng)濟下，專利權(quán)也是合法交易商品,，洽談愉快的可能會成交,。外國人買下也是出于欣賞我的成果。其實,，申請階段也能轉(zhuǎn)讓,，就是現(xiàn)在。顯然我不會賣很低,，曾經(jīng)推廣過,，說過151億美元，諸位朋友可以當(dāng)真也可以不當(dāng)真,。
南極熊：這么高,，你是用什么方法定的？
吳翔：根據(jù)歷史上最高成交記錄定的,。150億美元,，我的印象中是一項關(guān)于脫氧核糖核酸的專利技術(shù)。
南極熊：為什么這么高,，有這么厲害嗎,？
吳翔：我們專利文獻里寫好了上位概念,。不僅僅用光固化樹脂,，就算食品、鋼鐵,、冰塊,、化妝品,、建材等等，都在權(quán)利要求內(nèi),。不僅僅用可見光紫外線,，就算粒子流、貝塔射線,、阿爾法射線,、伽馬射線、超聲波,、沖擊波等等,，都在權(quán)利要求內(nèi)。
南極熊：可否提供你的專利的一些核心結(jié)構(gòu)圖,？
吳翔：我們在注冊專利當(dāng)時沒有提供圖,，已成既定事實。專利法規(guī)定圖不是審查要素,。有沒有圖也不是此次剽竊案件核心,。把論文的結(jié)構(gòu)圖拿出來，全部都在專利的權(quán)利要求范圍內(nèi),，這是無可辯駁的,。
很明顯，論文作者照著權(quán)利要求畫出了結(jié)構(gòu)圖,。徹頭徹尾地盜竊,。
南極熊：你認(rèn)為Science刊載的論文哪些部分抄襲了專利文獻？
吳翔：這是完整地照搬了創(chuàng)新思想,。就涉案一行作者,，毫無創(chuàng)造可言。排除抄襲部分,，論文的其它內(nèi)容均是已有知識的簡單疊加,，不夠成創(chuàng)造性勞動。我們的專利文獻包括了上位概念和下位概念,，完整覆蓋了投影光和光固化樹脂,，包括了透明容器和旋轉(zhuǎn)裝置，明確指出了CT技術(shù)的反投影方法用在現(xiàn)實中疊加,。這一點抄襲了,，這篇論文就什么也不是。
2015年提交專利申請的發(fā)明人吳翔直指論文作者剽竊專利文獻,，抄襲創(chuàng)新思想,，遠在期刊刊登之前，專利文獻已經(jīng)完成了提交和公布，包括中文和英文的,。在不只一個國家的專利數(shù)據(jù)庫中都有記錄,。Science期刊編輯和作者們未有履行相關(guān)學(xué)術(shù)和法律義務(wù)。
本文涉及資料
如果吳翔申訴成立,，那么《Science》雜志和伯克利的幾個博士作者,，都會遇到麻煩。南極熊將持續(xù)更新報道此事,。 |
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