《Nature》重要突破：一种新型3D打印技术！快准稳

编辑推荐：今天的国际顶刊《Nature》介绍了一种新型3D打印技术，仅需几秒，就可实现高分辨率打印。发文的同时，《Nature》杂志编辑对此发表了评论，高度赞扬了该技术的先进性和优越性。

目前，增材制造的应用范围正在迅速扩大，包括运动鞋部件、牙科陶瓷和航空航天部件的大规模生产，以及微流体、医疗设备和人工器官的制造。所使用的光诱导增材制造技术，由于其高度的时空控制而尤为成功，但这些技术仍然具有点状或层状生成的共同问题，如立体光刻、激光粉末床熔化、连续液体界面生产及其衍生品。而立体3D打印，是连续增材制造方法下一步的方向。

近日，来自德国勃兰登堡应用科学大学的Martin Regehly & 德国洪堡大学的Stefan Hecht等研究者，介绍了xolography，一种双色技术，利用不同波长的交叉光束在线性激发下，利用可光开关的光引发剂，诱导受限单体立体内的局部聚合。相关论文以题为“Xolography for linear volumetric 3D printing”今天发表在顶级期刊Nature上。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-020-3029-7

在此，研究者提出了一种立体3D打印工艺，在该工艺中，整个树脂立体的结构被保留，复杂的多组分物体是由周围的粘性流体基质制造和稳定的。与基于薄片的方法不同，悬垂特征的支撑结构需要精细的后处理，不再需要了，与层界面相关的各向异性消失了，脆弱的软物体可以凝固。这种方法代表了一个完整系统的一步制造，不需要后期装配，但仍然包含移动部件。

到目前为止，两种不同的基于光的立体测量技术得到了最多的关注。为了制造高分辨率的微尺度物体，双光子光聚合是最先进的技术，并且已经实现了特征尺寸在100纳米以下的物体。一个主要的限制是立体产生率，通常远低于1-20 mm3h-1，这是由于潜在的非线性吸收过程硬化树脂空间中的局部立体。

对于宏观物体的立体增材制造，需计算轴向光刻旋转均匀的树脂立体，同时多个图像以确定的角度投射到目标材料。暴露的叠加层导致形成自由基的累积剂量分布，在30-120秒内固化厘米大小的物体，并使其他区域低于聚合阈值。该技术需要树脂的非线性响应来定义阈值，目前它是由氧抑制过程介导的。据报道，打印物体的分辨率为300μm，在打印过程中，由于光线穿过部分或已经聚合的区域，造成剂量波动。最近，优化和包含了一个反馈系统，试图在第二次打印同一物体时补偿这些影响，结果得到80-μm阳性和500-μm阴性的特征尺寸。

在此，研究者通过使用两束相交的不同波长的光，固化局部区域来消除上述非线性。这种方法被称为双色光聚合(DCP)，是Swainson早期提出的。固化是由加入到树脂中的双色光引发剂介导的，光引发剂被第一波长激活，而对第二波长的吸收要么(1)引发光聚合，要么(2)抑制光聚合。

此文中，研究者用一台立体打印机演示了上述概念，该打印机可以生成具有复杂结构特征以及机械和光学功能的三维物体。与最先进的立体打印方法相比，该技术的分辨率约为无反馈优化的计算轴向光刻的10倍，立体产生速率比双光子光聚合高4-5个数量级。该3D技术允许以最高25微米的特征分辨率和最高55立方毫米/秒的凝固速度打印固体物体，同时可以打印出毫米到厘米大小、具有微米大小特征的物体。它依赖于由两束光线交汇引发的化学反应。甚至该技术，仅需几秒钟，就可以完成一次高分辨率的3D打印。

图1 Xolography 3D打印技术。

图2立体数字制造。

图3 高分辨率物体特征的表征。

综上所述，研究者介绍了一种基于分子光开关，不需要任何非线性化学或物理过程的立体双色3D打印技术。这是一种非常灵活的方法，可以用现成的、具有成本效益的组件来实现。本文中的xolography，将促进从光引发剂和材料发展转向投影和光片技术的研究领域，以及大量依赖于快速、高分辨率的立体3D打印的应用。（文：水生）