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)，由于對空間和時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(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�？茖W(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)高出四到五個數(shù)量級。
△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)曝光會導(dǎo)致3D對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，將對其進(jìn)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(qiáng)大的競爭力。

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。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)。

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(jī)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?yàn)橥队皶r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(jī)時，投影機(jī)會發(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(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�。�

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