今日Nature：实现《星际迷航》科幻！3D打印超高分辨物体仅需几秒

在《星际迷航》宇宙中，称为复制器的设备可以在几秒钟内打印出固体物质。由于材料科学的进步，这些科幻小说里的装置可能比人类想象得更接近现实。一种称为体积增材制造（VAM）的3D打印技术使用光来快速固化一定体积的液态前驱物。今日，德国勃兰登堡应用技术大学Martin Regehly和洪堡大学Stefan Hecht报道了VAM的最新研究进展，该技术允许以高达25微米的特征分辨率和55立方毫米/秒的固化速度打印固体物体。研究人员称这个过程为X线摄影（Xolography），因为它使用两束不同波长的交叉(x)光束来固化整个物体。相关结果以“Xolography for linear volumetric 3D printing”为题发表在Nature期刊上。

传统的3D打印机有一个架台，它可以在三个正交方向上操纵打印头或打印对象，以将打印机的喷嘴定向到下一个位置以沉积材料。但是，最快的3D打印机使用光诱导整个液态起始材料的聚合，从而使固体以每小时500毫米的速度从液体中抽出。VAM消除了从原材料中绘制物体的需要，简化了工艺流程，并加快了制造速度。与其他方法相比，它还可以生产更高质量的零件，并且无需打印后必须移除的打印对象支撑结构。

VAM之前的变体包括双光子光聚合（TPP）和计算机轴向光刻（CAL）。在TPP中，飞秒激光脉冲用于聚合纳米级构造块，可以将其分层以制造微结构。TPP速度很慢，每小时的打印速度仅为1-20立方毫米，通常用于制作毫米级的物体，但它具有100纳米的分辨率打印特征。

相比之下，CAL通过允许快速固化厘米级的物体，将VAM的能力向另一个方向移动。在CAL中，使用算法控制在不同体素（3D像素）处的累积曝光量，将图像以不同角度投影在液体前体的旋转体积周围。这与使用溶解氧防止自由基物质引发不必要聚合反应的系统协同完成，因此只有目标体积才能固化。CAL可以在短短几秒钟内实现100m的特征尺寸并制造厘米级的零件，但是它需要使用反馈系统进行计算机优化，这增加了设备成本和总打印时间。

Regehly及其同事报告了在VAM中引发聚合反应的新化学方法，该化学方法可以更好地控制引发和聚合反应发生的液体体积。他们的技术可以将分辨率提高到以前报道的宏观VAM技术的十倍，而不会牺牲打印速度。

X线照相术的过程如下：一定厚度的矩形光照射一定体积的粘性树脂（图1）。选择光的波长来激活被称为双色光引发剂(DCPIs)的分子，通过切割分子主链上的一个分子环来激活；这个反应只发生在光圈内。

第二束光投射出3D对象的切片图像，将被打印到灯片平面上。第二束的波长与第一束不同，任何被激发的DCPI分子都会引发树脂聚合，使薄片固化。然后，树脂相对于光片的位置移动，光片是固定的。这改变了光片在树脂中的位置，因此激活和诱发过程可以在一个新的位置重新开始，从而一片片地构建对象。

图1：Xolography 3D打印技术

作者通过在直径为8毫米的球形笼子中打印被捕获为松散物体的球来证明其技术的有效性（图2a-c）。使用常规的逐层3D打印，需要使用将球连接到笼子的支撑架进，并且之后很难将其取出。高分辨率的X射线照相术还可以直接打印机械系统，例如可以在液体或气流中在轴上旋转的刀片（图2d-f）。

图2：Xolography 3D打印技术生产的复杂物件

此外，Regehly等人用X射线摄影术打印了一种用于将激光束转换为直线，均匀光线的非球面透镜 (图2g–i)。在空气中，镜头将一条狭窄的绿色激光束拉伸成投影的直线。透镜的光学性能表明，印刷材料的结构非常均匀，没有缺陷。最后，作者打印了一幅非常详细的人体半身像，直径3厘米，有精确定义的内部解剖特征，比如鼻腔和食道被挖空（图2j-l）。

图3：高分辨率特征物体的表征

研究人员预测通过使用更好的光学系统（例如功能更强的激光器），可以进一步提高X射线照相术的特征分辨率和体积生成率。该X射线照相术将激发从光引发剂和材料开发到投影和光片技术的研究领域，以及实现具有快速，高分辨率3D打印的众多应用，例如大规模定制打印跑步鞋鞋底等。

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