新型X線照相體積3D打印技術橫空出世

近日，一種新型3D 打印技術——X 線照相體積 3D 打印技術橫空出世，其帶來了全新的 “復制” 體驗，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，有著精確的內部解剖特征，鼻腔和食道均是空的。

質量也很抗“蹧”，用錘子也砸不爛。

而打印一副柏林地標勃蘭登堡門，也只需 68 秒。

該技術是基于體積增材制造（Volumetric AdditiveManufacturing，VAM）的一項進展，相關論文由馬丁?雷格利（Martin Regehly）等人發(fā)表在《自然》雜志上。

談及這項研究的初心，現為德國勃蘭登堡應用技術大學教授的雷格利告訴 DeepTech：“我想嘗試一些新東西來擴大我的視野。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)建復雜對象

在這項新工藝中，整個樹脂體積的結構被保留，無需其他精細化處理，即可固化易碎的軟對象，一經問世便廣受關注。

該技術允許固體物體以 25 微米（比頭發(fā)絲半徑還細）的特征分辨率、和 55 立方毫米 / 秒的凝固速度打印出來，打印過程被研究團隊稱為 Xolography，因為它使用兩個不同波長的交叉 X 光束來固化整個物體。

談及該技術的優(yōu)勢，雷格利說：“與逐層掃描相比，包括 Xolography 在內的 3D 立體打印技術的主要優(yōu)點是：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構，即可創(chuàng)建復雜對象。另外還可一步創(chuàng)建具有移動部件的多組件系統(tǒng)，且能免去后續(xù)組裝。反觀傳統(tǒng) 3D 打印技術，在逐層創(chuàng)建目標對象時，往往會出現各層之間界限不均勻、或材料缺陷的情況。另外，傳統(tǒng)技術還需要額外時間來涂抹或導流新材料，而這會減慢打印速度?！?/p>

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行固化。具體來說，該技術會在兩個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，是因為這種雙色光引發(fā)劑可溶解在樹脂中，并能通過在分子主鏈上切割一個分子環(huán)來實現反應。

圖 | Xolography 3D 打印技術

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，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、并使當前層聚合。在樹脂體積通過的固定光學裝置同步移動期間，設備會投影出一系列圖像，并連續(xù)地制造所需對象，最后交叉 X 光束產生整個全息對象的印刷過程就叫 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中來實現。盡管已有部分研究將后者用作自由基的光開關前體、來初始化聚合過程，但該實驗的 DCPI 可將有效的光開關和光引發(fā)特性，與有利的光譜以及熱特性相結合。并且，DCPI 和相關衍生物的合成相對更簡單。

圖 | 體積數字化制造

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。為了產生光片，375nm 半導體激光器的高斯光束被轉換成發(fā)散的激光線，在進一步準直后、聚焦到印刷體中心，從而實現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，該團隊開發(fā)出一款校準程序，測試了幾個輻照度 - 速度對。結果他們獲得了一個用于 Xolography 的參數空間，該參數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)聚合的新型化學技術，能更好地控制聚合的液體體積，該技術可將分辨率提高到此前相關技術的十倍，且不以犧牲打印速度為代價。

對于本次成果，雷格利等人預測稱，通過使用更好的光學系統(tǒng)，Xolography 的特征分辨率和體積生成率可進一步提高，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，如果使用 VAM 和 Xolography 能取得較好進展，則有可能實現商品量產，比如生產運動鞋零件、牙科陶瓷、航空航天組件、醫(yī)療設備等。

一切 “始于郊外啤酒花園”

馬丁?雷格利年輕而富有魅力，不僅有科學家勇于嘗試、不斷試錯的精神，又有創(chuàng)業(yè)者所獨具的專注力與果敢。

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)大學和洪堡大學學習物理。

在導師的帶領下，他寫了一篇關于卡西尼號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驗室（LASP）工作。

從美國回來后，他跟從內心對光學的強烈興趣，先是寫了一篇關于光生物物理學的博士論文，后來又成立了一家公司，專注于開發(fā)和生產科學相機以及光學檢測系統(tǒng)。

10 年后，他開始轉換職業(yè)，并于 2017 年獲得勃蘭登堡應用科技大學視覺科學和光學器件工程教授職位。目前他已婚，并育有 3 個孩子。

而今，他所研發(fā)的 X 線照相體積 3D 打印技術，再度掀起 3D 打印的革命熱潮。不過，此次創(chuàng)新成果來自于化學家、物理學家和材料科學家之間的跨學科合作。雷格利主要貢獻了光學和光子學方面的專業(yè)知識。

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，記得我們當時聊了很多，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 都參加了這次對話，他們對該項目的推進至關重要?！?/p>

曾經的創(chuàng)業(yè)經歷，對他來說影響深遠。成長中的初創(chuàng)公司，通常意味著要在時間壓力和有限的資源下工作，所以他學會了專注于特定目標。

他說：“多年以來，我在即興研究方面得到了一些經驗。我在學術環(huán)境中工作的時間還不夠長，但是到目前為止，我還是很滿意的?！?/p>

談到企業(yè)家和學者之間的主要區(qū)別時，雷格利表示，作為企業(yè)家的個人風險更高，但是可以更迅速地看到成敗。在學術生活中，則需要更多的毅力、以及對負面結果的寬容。但不可否認的是，兩個世界都令人感到興奮和激動。

原文標題：德國科學家在液體中“拍攝”出固體 ！1分鐘、2束光，即可復刻勃蘭登堡門 | 專訪

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責任編輯：haq