近日,一種新型 3D 打印技術(shù)——X 線照相體積 3D 打印技術(shù)橫空出世,其帶來了全新的 “復(fù)制” 體驗(yàn),如下圖所示,研究人員打印出了一幅人體半身像。
半身像直徑約 3 厘米,有著精確的內(nèi)部解剖特征,鼻腔和食道均是空的。
質(zhì)量也很抗“蹧”,用錘子也砸不爛。
而打印一副柏林地標(biāo)勃蘭登堡門,也只需 68 秒。
該技術(shù)是基于體積增材制造(Volumetric Additive Manufacturing,VAM)的一項(xiàng)進(jìn)展,相關(guān)論文由馬丁?雷格利(Martin Regehly)等人發(fā)表在《自然》雜志上。
談及這項(xiàng)研究的初心,現(xiàn)為德國勃蘭登堡應(yīng)用技術(shù)大學(xué)教授的雷格利告訴 DeepTech:“我想嘗試一些新東西來擴(kuò)大我的視野。到目前為止,不斷更改研究主題一直讓我受益匪淺。”
可用較高速度,創(chuàng)建復(fù)雜對(duì)象
在這項(xiàng)新工藝中,整個(gè)樹脂體積的結(jié)構(gòu)被保留,無需其他精細(xì)化處理,即可固化易碎的軟對(duì)象,一經(jīng)問世便廣受關(guān)注。
該技術(shù)允許固體物體以 25 微米(比頭發(fā)絲半徑還細(xì))的特征分辨率、和 55 立方毫米 / 秒的凝固速度打印出來,打印過程被研究團(tuán)隊(duì)稱為 Xolography,因?yàn)樗褂脙蓚€(gè)不同波長的交叉 X 光束來固化整個(gè)物體。
談及該技術(shù)的優(yōu)勢(shì),雷格利說:“與逐層掃描相比,包括 Xolography 在內(nèi)的 3D 立體打印技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是:不僅可以形成光滑的表面,還擁有較高的打印速度,并且無需其他支撐結(jié)構(gòu),即可創(chuàng)建復(fù)雜對(duì)象。另外還可一步創(chuàng)建具有移動(dòng)部件的多組件系統(tǒng),且能免去后續(xù)組裝。反觀傳統(tǒng) 3D 打印技術(shù),在逐層創(chuàng)建目標(biāo)對(duì)象時(shí),往往會(huì)出現(xiàn)各層之間界限不均勻、或材料缺陷的情況。另外,傳統(tǒng)技術(shù)還需要額外時(shí)間來涂抹或?qū)Я餍虏牧希@會(huì)減慢打印速度。”
雷格利表示,與通常僅使用紫外線的其他方法相比,Xolography 使用兩種不同波長的光進(jìn)行固化。具體來說,該技術(shù)會(huì)在兩個(gè)不同波長的光束相交的地方,使用可見光引發(fā)的光引發(fā)劑,在密閉的樹脂體內(nèi)引發(fā)固化,從而加快打印速度。
可用于打印鞋底和牙科陶瓷等
若要完成 Xolography 的全過程演示,需要一塊矩形光片,并通過一定體積的粘性樹脂照射。之所以選擇光的波長、來激發(fā)雙色光引發(fā)劑(DCPI)分子,是因?yàn)檫@種雙色光引發(fā)劑可溶解在樹脂中,并能通過在分子主鏈上切割一個(gè)分子環(huán)來實(shí)現(xiàn)反應(yīng)。
圖 | Xolography 3D 打印技術(shù)
如上圖,第一波長的光片激發(fā)一薄層的光敏分子后,使其從休眠狀態(tài)變?yōu)闈撛跔顟B(tài);接著,正交布置的投影儀產(chǎn)生第二波長的光,將制造 3D 模型的截面圖像聚焦到光片平面中。
這時(shí),只有處于潛伏狀態(tài)的引發(fā)劑分子,可以吸收投影儀的光、并使當(dāng)前層聚合。在樹脂體積通過的固定光學(xué)裝置同步移動(dòng)期間,設(shè)備會(huì)投影出一系列圖像,并連續(xù)地制造所需對(duì)象,最后交叉 X 光束產(chǎn)生整個(gè)全息對(duì)象的印刷過程就叫 Xolography。
在過程中,Xolography 需要一種雙色光引發(fā)劑(DCPI),雷格利通過將二苯甲酮 Ⅱ 型光引發(fā)劑、集成到螺吡喃分子光開關(guān)中來實(shí)現(xiàn)。盡管已有部分研究將后者用作自由基的光開關(guān)前體、來初始化聚合過程,但該實(shí)驗(yàn)的 DCPI 可將有效的光開關(guān)和光引發(fā)特性,與有利的光譜以及熱特性相結(jié)合。并且,DCPI 和相關(guān)衍生物的合成相對(duì)更簡(jiǎn)單。
圖 | 體積數(shù)字化制造
為抑制單波長光引發(fā)通道,雷格利等人開發(fā)出一款光片方法,以確保樹脂室中的體素只暴露于紫外光一次。為了產(chǎn)生光片,375nm 半導(dǎo)體激光器的高斯光束被轉(zhuǎn)換成發(fā)散的激光線,在進(jìn)一步準(zhǔn)直后、聚焦到印刷體中心,從而實(shí)現(xiàn)光束腰向容器邊緣加寬。
另外,容器的 UV 輻照度和速度,可以控制特定樹脂組合物的制造。為確定最佳值,該團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一款校準(zhǔn)程序,測(cè)試了幾個(gè)輻照度 - 速度對(duì)。結(jié)果他們獲得了一個(gè)用于 Xolography 的參數(shù)空間,該參數(shù)空間可分別受到雙色固化所需的最小紫外光劑量和最大劑量限制。
圖 | 高分辨率物體特征的表征
相比來說,Xolography 作為 VAM 中引發(fā)聚合的新型化學(xué)技術(shù),能更好地控制聚合的液體體積,該技術(shù)可將分辨率提高到此前相關(guān)技術(shù)的十倍,且不以犧牲打印速度為代價(jià)。
對(duì)于本次成果,雷格利等人預(yù)測(cè)稱,通過使用更好的光學(xué)系統(tǒng),Xolography 的特征分辨率和體積生成率可進(jìn)一步提高,但所有 VAM 系統(tǒng)仍面臨一些挑戰(zhàn),例如怎樣將打印量擴(kuò)大、以及找到在同一打印中使用多種材料的方法。
而隨著印刷速度的提高和新材料的出現(xiàn),如果使用 VAM 和 Xolography 能取得較好進(jìn)展,則有可能實(shí)現(xiàn)商品量產(chǎn),比如生產(chǎn)運(yùn)動(dòng)鞋零件、牙科陶瓷、航空航天組件、醫(yī)療設(shè)備等。
一切 “始于郊外啤酒花園”
馬丁?雷格利年輕而富有魅力,不僅有科學(xué)家勇于嘗試、不斷試錯(cuò)的精神,又有創(chuàng)業(yè)者所獨(dú)具的專注力與果敢。
他的專長是光子成像和系統(tǒng)開發(fā)。出生于柏林的他,曾在柏林伊爾梅瑙工業(yè)大學(xué)和洪堡大學(xué)學(xué)習(xí)物理。
在導(dǎo)師的帶領(lǐng)下,他寫了一篇關(guān)于卡西尼號(hào)飛船上的氫氘吸收池(HDAC)儀器的畢業(yè)論文。此后,他分別在德國航空航天中心(DLR)和美國大氣與空間物理實(shí)驗(yàn)室(LASP)工作。
從美國回來后,他跟從內(nèi)心對(duì)光學(xué)的強(qiáng)烈興趣,先是寫了一篇關(guān)于光生物物理學(xué)的博士論文,后來又成立了一家公司,專注于開發(fā)和生產(chǎn)科學(xué)相機(jī)以及光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)。
10 年后,他開始轉(zhuǎn)換職業(yè),并于 2017 年獲得勃蘭登堡應(yīng)用科技大學(xué)視覺科學(xué)和光學(xué)器件工程教授職位。目前他已婚,并育有 3 個(gè)孩子。
而今,他所研發(fā)的 X 線照相體積 3D 打印技術(shù),再度掀起 3D 打印的革命熱潮。不過,此次創(chuàng)新成果來自于化學(xué)家、物理學(xué)家和材料科學(xué)家之間的跨學(xué)科合作。雷格利主要貢獻(xiàn)了光學(xué)和光子學(xué)方面的專業(yè)知識(shí)。
說起該研究的開端,雷格利戲稱 “始于郊外啤酒花園”,他說:“一切開始于 2018 年夏天柏林郊外啤酒花園里的輕松交談,記得我們當(dāng)時(shí)聊了很多,討論了一些可行的想法。Stefan(本次研究論文的一位通訊作者)、Dirk Radzinski 都參加了這次對(duì)話,他們對(duì)該項(xiàng)目的推進(jìn)至關(guān)重要?!?/p>
曾經(jīng)的創(chuàng)業(yè)經(jīng)歷,對(duì)他來說影響深遠(yuǎn)。成長中的初創(chuàng)公司,通常意味著要在時(shí)間壓力和有限的資源下工作,所以他學(xué)會(huì)了專注于特定目標(biāo)。
他說:“多年以來,我在即興研究方面得到了一些經(jīng)驗(yàn)。我在學(xué)術(shù)環(huán)境中工作的時(shí)間還不夠長,但是到目前為止,我還是很滿意的?!?/p>
談到企業(yè)家和學(xué)者之間的主要區(qū)別時(shí),雷格利表示,作為企業(yè)家的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)更高,但是可以更迅速地看到成敗。在學(xué)術(shù)生活中,則需要更多的毅力、以及對(duì)負(fù)面結(jié)果的寬容。但不可否認(rèn)的是,兩個(gè)世界都令人感到興奮和激動(dòng)。
轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。