20世紀(jì)90年代中期，3D打印技術(shù)橫空出世。3D打印實(shí)際上是利用光固化和層疊等技術(shù)的最新快速成型裝置。它與普通打印工作原理基本相同，打印機(jī)內(nèi)裝有液體或粉末等“打印材料”，通過電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物。近年來，3D打印頻出奇招，備受贊譽(yù)，對(duì)整個(gè)工業(yè)制造領(lǐng)域都產(chǎn)生了顛覆性的影響。LOM（Laminated Object Manufacturing）、FDM（Fused Deposition Modeling）、SLS（Selective Laser Sintering）等3D打印技術(shù)先后涌現(xiàn)出來，使陶瓷3D打印、金屬3D打印、彩色3D打印、混合材料3D打印等成為現(xiàn)實(shí)。從個(gè)性化定制的工業(yè)設(shè)計(jì)、人造器官、醫(yī)療器械、飛機(jī)零件，到衣服、鞋子，再到大型建筑、飛機(jī)、汽車的直接制造，3D打印似乎無所不在，無所不能，連科幻電影都自嘆不如！作為目前最先進(jìn)的3D打印技術(shù)之一，體積增材制造（volumetric additivemanufacturing, VAM）技術(shù)可以直接通過光將液態(tài)前驅(qū)體直接固化，實(shí)現(xiàn)一次成型。為了改良VAM技術(shù)，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)展了一系列新策略，包括雙光子光聚合（TPP）技術(shù)和計(jì)算機(jī)軸向光刻（CAL）技術(shù)。TPP技術(shù)基于飛秒激光脈沖聚合納米級(jí)構(gòu)造塊，并將其分層以制造微結(jié)構(gòu)。TPP速度很慢，打印速度僅為1-20 mm3/h，但是分辨率高達(dá)100 nm，通常用于制造毫米尺度的物體。CAL技術(shù)在圍繞垂直軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，將預(yù)先計(jì)算的光圖案序列數(shù)字投影到樹脂容器中，旋轉(zhuǎn)時(shí)可以在樹脂中照射出上千個(gè)不同的投影。隨著時(shí)間的推移，累積的光暴露穿過聚合閾值的區(qū)域變?yōu)閷?shí)心，而不穿過該閾值的區(qū)域保持未固化，從而一次性印刷出所設(shè)計(jì)的三維物體。CAL技術(shù)可以快速固化厘米尺度的物體，幾秒鐘內(nèi)就可以實(shí)現(xiàn)特征尺寸為100 μm的厘米級(jí)零件的打印。問題在于，CAL需要使用反饋系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)優(yōu)化，增加了設(shè)備成本和總打印時(shí)間。
Xolography技術(shù)：分辨率提高十倍為了實(shí)現(xiàn)更快、更高分辨率的3D打印，德國(guó)科學(xué)家Stefan Hecht和Martin Regehly等人發(fā)展了一種全新的Xolography技術(shù)，通過兩個(gè)不同波長(zhǎng)的交叉光束來固化整個(gè)物體，可以更好地控制引發(fā)聚合反應(yīng)發(fā)生的液體的體積，使得VAM的分辨率提高到之前的十倍，而不會(huì)犧牲打印速度。這種新技術(shù)不需要將打印材料逐層打印，工藝流程更加簡(jiǎn)單，打印速度更快，固化速度達(dá)到55 mm3/s，分辨率達(dá)到 25 μm。此外，VAM還可以生產(chǎn)更高質(zhì)量的零件，不需要像其他3D打印技術(shù)那樣先打印支撐結(jié)構(gòu)，然后將其去除。1）一定厚度的矩形光（藍(lán)色）穿過一定體積的粘性樹脂，并激活溶解在樹脂中的雙色光引發(fā)劑分子（DCPI）。2）第二光束（紅色）將要打印的物體切片圖像投影到光片的平面中。3）兩束光的波長(zhǎng)差異，導(dǎo)致活化的DCPI引發(fā)樹脂的聚合反應(yīng)，從而在兩個(gè)波長(zhǎng)的光交叉處固化樹脂。4）線性移動(dòng)樹脂，將光片移動(dòng)到新位置，然后再次開始該過程，逐層堆疊對(duì)象。為了驗(yàn)證這一技術(shù)的先進(jìn)性，作者在直徑為8 mm的封閉的籠字內(nèi)部，直接打印了一個(gè)小球。如果是采用傳統(tǒng)的逐層3D打印，還要打印支撐結(jié)構(gòu)，而且很難取出。Xolography技術(shù)提供的高分辨率，還賦予其直接打印機(jī)械系統(tǒng)的能力，譬如可以在液體或空氣流條件下，直接打印在軸上旋轉(zhuǎn)的刀片。更令人驚艷的是，研究人員基于Xolography技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了非球面Powell鏡片的打印。非球面Powell鏡片可以將激光束轉(zhuǎn)換為直線型均勻光線，Powell鏡片優(yōu)異的光學(xué)性能表明，打印材料的結(jié)構(gòu)非常均勻，沒有缺陷。此外，作者還打印了一個(gè)直徑3 cm半身人像，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)高度精確，連鼻腔通道和食道都清晰可見。當(dāng)然，Xolography技術(shù)本身也存在一些局限性，主要包括：1）尺寸限制。這種技術(shù)目前只能打印小體積物品，一方面是因?yàn)椋馐梢源┩傅綐渲械木嚯x本身是有限制的。另一方面，該技術(shù)需要移動(dòng)樹脂體積，打印較大尺寸的物體將花費(fèi)更多時(shí)間2）材料限制。盡管所報(bào)道的化學(xué)方法能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨率，但可用于Xolography技術(shù)的材料也是有限的。如何將打印體積從厘米尺度擴(kuò)大到米尺度，并實(shí)現(xiàn)一次性打印多種材料的3D打印設(shè)備，是Xolography技術(shù)未來的重要挑戰(zhàn)。盡管有所局限性，Xolography技術(shù)依然為我們帶來了無限可能，值得做的事情還有很多：1）將傳統(tǒng)的逐層3D打印方法DLP引入VAM。灰度照明可用于制造剛度漸變的對(duì)象，加固不同3D打印組件之間的界面，以及非常規(guī)的工程機(jī)制。2）通過使用更好的光學(xué)系統(tǒng)（例如功能更強(qiáng)的激光器），可以進(jìn)一步提高Xolography技術(shù)的特征分辨率和體積生成率。3）改進(jìn)的打印速度和新材料的出現(xiàn)使DLP方法可以用于某些特定商品的大規(guī)模定制。MartinRegehly et al. Xolography for linear volumetric 3D printing. Nature 2020, 588,620-624.https://www.nature.com/articles/s41586-020-3029-7RobertF. Shepherd et al. High-resolution 3D printing in seconds. Nature 2020.https://www.nature.com/articles/d41586-020-03543-3
