第一作者：Brett E. Kelly, Indrasen Bhattacharya, Hossein Heidari,
通訊作者：Hayden K. Taylor
通訊單位：加州大學(xué)伯克利分校
研究亮點(diǎn)：
1. 實(shí)現(xiàn)了真正意義上的3D打印，不需要逐層打印，直接一次性打印3D物體。
2. 可創(chuàng)建比傳統(tǒng)3D打印機(jī)更平滑，更靈活和更復(fù)雜的對象。
3. 原料幾乎100%可重復(fù)使用。
Hayden K. Taylor及其研究方向
溯源
3D打印又稱為增材制造。顧名思義，就是通過計(jì)算機(jī)軟件控制材料逐層增加以實(shí)現(xiàn)三維物體的打印成型，這是一種可以將聚合物，金屬，復(fù)合材料，生物材料甚至食品加工成復(fù)合物的過程。在過去的30多年來，3D打印從初級的原型樣品的創(chuàng)造性制作方法逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N新興的高級制造技術(shù)。
1860年，來自法國的Fran?oisWillème巧妙地把24臺照相機(jī)擺成一個(gè)圓，把物體放在圓中心，首次發(fā)明了一種通過多角度成像來獲取物體的三維圖像的技術(shù)，這種技術(shù)被稱為照相雕塑（Photosculpture）。這一技術(shù)正式拉開了三維打印的序幕！
1981年，日本工程師HideoKodama創(chuàng)建世界上第一臺3D打印原型機(jī)，首次利用光固化聚合物增材制造獲得三維模型。1984年，美國工程師Charles W. Hull發(fā)明立體平板印刷術(shù)，利用光催化光敏樹脂成型，通過增材制造方法得到三維物體。2年后，Hull成立了如今鼎鼎大名的3DSystems公司。
此后，3D打印技術(shù)開始扶搖直上，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)。
披荊斬棘
3D打印曾經(jīng)也被稱為快速成型制造，聽起來是不是覺得很low？不得不說，3D打印真正迅速發(fā)展起來，很大程度上也得益于“3D打印”這個(gè)術(shù)語的發(fā)明。近年來，3D打印頻出奇招，備受贊譽(yù)，如今對整個(gè)工業(yè)制造領(lǐng)域都產(chǎn)生了顛覆性的影響。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。
時(shí)至今日，紅極一時(shí)的3D打印的商業(yè)化之路依然坎坷，商業(yè)模式單一，材料少，成本高，人才短缺等問題尤其突出。雖然如此，3D打印依然在不斷煥發(fā)新的生命力。
新篇章
有鑒于此，加州大學(xué)伯克利分校Hayden K. Taylor團(tuán)隊(duì)及其合作者發(fā)展了一種全新的3D打印技術(shù)，無需逐層打印，直接在高粘度樹脂容器內(nèi)通過光聚合一次形成整個(gè)3D物體。
要點(diǎn)1：計(jì)算軸向光刻技術(shù)CAL
目前常規(guī)的立體光刻3D打印機(jī)主要使用掃描點(diǎn)光源或投影儀來順序地逐層構(gòu)建3D對象，這往往會(huì)導(dǎo)致邊緣的“階梯”效應(yīng)，也難以生產(chǎn)柔性物體，因?yàn)榭蓮澢牟牧显诖蛴∵^程中會(huì)變形，并且打印某些特定形狀的物體時(shí)需要支撐物。
而Hayden K. Taylor團(tuán)隊(duì)則創(chuàng)造性地采用了一種計(jì)算軸向光刻技術(shù)（computedaxial lithography, CAL），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。
圖1. 打印原理和裝置
要點(diǎn)2：打印樹脂材料的配制
你不想固化的液體，肯定有光線穿過它，因此整個(gè)過程需要有一個(gè)從液體到固體過渡的光照閾值，打印樹脂材料的配置是這項(xiàng)技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵難點(diǎn)。研究人員所采用的的3D打印樹脂由混有光敏分子和溶解氧的液體聚合物組成。光激活光敏化合物來消耗氧，只有在所有氧氣用完的那些3D區(qū)域中，聚合物才形成“交聯(lián)”，將樹脂從液體轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w，而未使用的樹脂可以通過在氧氣氛中加熱來回收利用。這種氧氣抑制機(jī)制可以確保容器中心的物體在積聚足夠的光強(qiáng)度變成固體之前，最靠近光源的樹脂不會(huì)發(fā)生反應(yīng)。
要點(diǎn)3：CAL新型3D打印的靈感來源
基于CAL的新型3D打印技術(shù)的靈感來自醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）掃描技術(shù)，常用于幫助醫(yī)生定位體內(nèi)的腫瘤和骨折。CT掃描從各個(gè)角度將X射線或其他類型的電磁輻射投射到體內(nèi)，通過分析傳輸能量的模式來揭示物體的幾何形狀。
研究人員將層析成像算法與光聚合物的理想閾值行為相結(jié)合，并使用迭代優(yōu)化方法來提高目標(biāo)幾何的精度。通過這種全新的3D打印技術(shù)，他們打印了幾種幾厘米大小的物體來進(jìn)行驗(yàn)證，包括羅丹的雕塑模型“思想者”（The Thinker），微型飛機(jī)模型，小格子和懸梁等等。
圖2. 73s，羅丹“思想者”雕像一氣呵成！
圖3. 打印零件實(shí)例
要點(diǎn)4：CAL新型3D打印的前景
由于現(xiàn)有的立體光刻技術(shù)已經(jīng)很成熟，CAL很可能在現(xiàn)有方法不足的新興領(lǐng)域才能找到最大用途。譬如：
1）打印不能承受分層打印時(shí)施加的力的軟材料；
2）制作具有光滑曲面的透鏡；
3）封裝其他物體等方面。
作為原理驗(yàn)證，研究人員在螺絲刀的金屬軸上封裝打印出三維手柄，這是不可能通過現(xiàn)有3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，而且需要昂貴的注塑工具。
圖4. 在螺絲刀的金屬軸上封裝打印三維手柄
除此之外，由于未固化的樹脂材料可以回收，100％可重復(fù)使用，這種3D打印技術(shù)幾乎不產(chǎn)生任何材料浪費(fèi)。而且，在某些情況下，CAL可能比目前的立體光刻法更快。
不過，速率，分辨率，對象大小和最終材料屬性之間的權(quán)衡都值得進(jìn)一步考慮，聚合反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)以及樹脂中的擴(kuò)散和光散射也將最終限制CAL印刷的物體的保真度。
小結(jié)
總之，這項(xiàng)工作是3D打印從逐層打印方式過渡到一次性全三維打印方式，為3D打印開辟了全新的篇章，堪稱里程碑之作！
參考文獻(xiàn)：
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
