Science里程碑之作:3D打印开辟新篇章!
南方 纳米人 2019-03-12

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第一作者:Brett E. Kelly, Indrasen Bhattacharya, Hossein Heidari,

通讯作者:Hayden K. Taylor

通讯单位:加州大学伯克利分校

 

研究亮点:

1. 实现了真正意义上的3D打印,不需要逐层打印,直接一次性打印3D物体。

2. 可创建比传统3D打印机更平滑,更灵活和更复杂的对象。

3. 原料几乎100%可重复使用。

 

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Hayden K. Taylor及其研究方向

 

溯源

3D打印又称为增材制造。顾名思义,就是通过计算机软件控制材料逐层增加以实现三维物体的打印成型,这是一种可以将聚合物,金属,复合材料,生物材料甚至食品加工成复合物的过程。在过去的30多年来,3D打印从初级的原型样品的创造性制作方法逐渐转变为一种新兴的高级制造技术。

 

1860年,来自法国的FrançoisWillème巧妙地把24台照相机摆成一个圆,把物体放在圆中心,首次发明了一种通过多角度成像来获取物体的三维图像的技术,这种技术被称为照相雕塑(Photosculpture)。这一技术正式拉开了三维打印的序幕!

 

1981年,日本工程师HideoKodama创建世界上第一台3D打印原型机,首次利用光固化聚合物增材制造获得三维模型。1984年,美国工程师Charles W. Hull发明立体平板印刷术,利用光催化光敏树脂成型,通过增材制造方法得到三维物体。2年后,Hull成立了如今鼎鼎大名的3DSystems公司。

 

此后,3D打印技术开始扶摇直上,LOM(Laminated Object Manufacturing)、FDM(Fused Deposition  Modeling)、SLS(Selective 

Laser Sintering)等3D打印技术先后涌现出来,使陶瓷3D打印、金属3D打印、彩色3D打印、混合材料3D打印等成为现实。

 

披荆斩棘

3D打印曾经也被称为快速成型制造,听起来是不是觉得很low?不得不说,3D打印真正迅速发展起来,很大程度上也得益于“3D打印”这个术语的发明。近年来,3D打印频出奇招,备受赞誉,如今对整个工业制造领域都产生了颠覆性的影响。从个性化定制的工业设计、人造器官、医疗器械、飞机零件,到衣服、鞋子,再到大型建筑、飞机、汽车的直接制造,3D打印似乎无所不在,无所不能。

 

时至今日,红极一时的3D打印的商业化之路依然坎坷,商业模式单一,材料少,成本高,人才短缺等问题尤其突出。虽然如此,3D打印依然在不断焕发新的生命力。

 

新篇章

有鉴于此,加州大学伯克利分校Hayden K. Taylor团队及其合作者发展了一种全新的3D打印技术,无需逐层打印,直接在高粘度树脂容器内通过光聚合一次形成整个3D物体。

 

 要点1:计算轴向光刻技术CAL

目前常规的立体光刻3D打印机主要使用扫描点光源或投影仪来顺序地逐层构建3D对象,这往往会导致边缘的“阶梯”效应,也难以生产柔性物体,因为可弯曲的材料在打印过程中会变形,并且打印某些特定形状的物体时需要支撑物。

 

而Hayden K. Taylor团队则创造性地采用了一种计算轴向光刻技术(computedaxial lithography, CAL),在围绕垂直轴旋转时,将预先计算的光图案序列数字投影到树脂容器中,旋转时可以在树脂中照射出上千个不同的投影。随着时间的推移,累积的光暴露穿过聚合阈值的区域变为实心,而不穿过该阈值的区域保持未固化,从而一次性印刷出所设计的三维物体。

 

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图1. 打印原理和装置

 

要点2:打印树脂材料的配制

你不想固化的液体,肯定有光线穿过它,因此整个过程需要有一个从液体到固体过渡的光照阈值,打印树脂材料的配置是这项技术的一个关键难点。研究人员所采用的的3D打印树脂由混有光敏分子和溶解氧的液体聚合物组成。光激活光敏化合物来消耗氧,只有在所有氧气用完的那些3D区域中,聚合物才形成“交联”,将树脂从液体转变为固体,而未使用的树脂可以通过在氧气氛中加热来回收利用。这种氧气抑制机制可以确保容器中心的物体在积聚足够的光强度变成固体之前,最靠近光源的树脂不会发生反应。

 

要点3:CAL新型3D打印的灵感来源

基于CAL的新型3D打印技术的灵感来自医学领域的计算机断层扫描(CT)扫描技术,常用于帮助医生定位体内的肿瘤和骨折。CT扫描从各个角度将X射线或其他类型的电磁辐射投射到体内,通过分析传输能量的模式来揭示物体的几何形状。

 

研究人员将层析成像算法与光聚合物的理想阈值行为相结合,并使用迭代优化方法来提高目标几何的精度。通过这种全新的3D打印技术,他们打印了几种几厘米大小的物体来进行验证,包括罗丹的雕塑模型“思想者”(The Thinker),微型飞机模型,小格子和悬梁等等。

 

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图2. 73s,罗丹“思想者”雕像一气呵成!

 

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图3. 打印零件实例

 

要点4:CAL新型3D打印的前景

由于现有的立体光刻技术已经很成熟,CAL很可能在现有方法不足的新兴领域才能找到最大用途。譬如:

1)打印不能承受分层打印时施加的力的软材料;

2)制作具有光滑曲面的透镜;

3)封装其他物体等方面。

 

作为原理验证,研究人员在螺丝刀的金属轴上封装打印出三维手柄,这是不可能通过现有3D打印技术实现的,而且需要昂贵的注塑工具。


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图4. 在螺丝刀的金属轴上封装打印三维手柄

 

除此之外,由于未固化的树脂材料可以回收,100%可重复使用,这种3D打印技术几乎不产生任何材料浪费。而且,在某些情况下,CAL可能比目前的立体光刻法更快。

 

不过,速率,分辨率,对象大小和最终材料属性之间的权衡都值得进一步考虑,聚合反应的动力学以及树脂中的扩散和光散射也将最终限制CAL印刷的物体的保真度。

 

小结

总之,这项工作是3D打印从逐层打印方式过渡到一次性全三维打印方式,为3D打印开辟了全新的篇章,堪称里程碑之作!

 

参考文献:

BrettE. Kelly, Indrasen Bhattacharya, Hossein Heidari, Hayden K. Taylor et al.Volumetric additive manufacturing via tomographic reconstruction. Science 2019,363, 1075-1079.

DOI: 10.1126/science.aau7114

http://science.sciencemag.org/content/363/6431/1075

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