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3D新闻

新型X线照相体积3D打印技术横空出世

星之球科技 来源:DeepTech深科技2021-01-12 我要评论(0 )   

近日,一种新型3D 打印技术——X 线照相体积 3D 打印技术横空出世,其带来了全新的 “复制” 体验,如下图所示,研究人员打印出了一幅人体半身像。半身像直径约 3 厘米...

近日,一种新型 3D 打印技术——X 线照相体积 3D 打印技术横空出世,其带来了全新的 “复制” 体验,如下图所示,研究人员打印出了一幅人体半身像。

半身像直径约 3 厘米,有着精确的内部解剖特征,鼻腔和食道均是空的。

质量也很抗“蹧”,用锤子也砸不烂。

而打印一副柏林地标勃兰登堡门,也只需 68 秒。

 

该技术是基于体积增材制造(Volumetric Additive Manufacturing,VAM)的一项进展,相关论文由马丁・雷格利(Martin Regehly)等人发表在《自然》杂志上。

谈及这项研究的初心,现为德国勃兰登堡应用技术大学教授的雷格利告诉 DeepTech:“我想尝试一些新东西来扩大我的视野。到目前为止,不断更改研究主题一直让我受益匪浅。” 

可用较高速度,创建复杂对象

 

在这项新工艺中,整个树脂体积的结构被保留,无需其他精细化处理,即可固化易碎的软对象,一经问世便广受关注。

该技术允许固体物体以 25 微米(比头发丝半径还细)的特征分辨率、和 55 立方毫米 / 秒的凝固速度打印出来,打印过程被研究团队称为 Xolography,因为它使用两个不同波长的交叉 X 光束来固化整个物体。

谈及该技术的优势,雷格利说:“与逐层扫描相比,包括 Xolography 在内的 3D 立体打印技术的主要优点是:不仅可以形成光滑的表面,还拥有较高的打印速度,并且无需其他支撑结构,即可创建复杂对象。另外还可一步创建具有移动部件的多组件系统,且能免去后续组装。反观传统 3D 打印技术,在逐层创建目标对象时,往往会出现各层之间界限不均匀、或材料缺陷的情况。另外,传统技术还需要额外时间来涂抹或导流新材料,而这会减慢打印速度。” 

雷格利表示,与通常仅使用紫外线的其他方法相比,Xolography 使用两种不同波长的光进行固化。具体来说,该技术会在两个不同波长的光束相交的地方,使用可见光引发的光引发剂,在密闭的树脂体内引发固化,从而加快打印速度。

可用于打印鞋底和牙科陶瓷等

 

若要完成 Xolography 的全过程演示,需要一块矩形光片,并通过一定体积的粘性树脂照射。之所以选择光的波长、来激发双色光引发剂(DCPI)分子,是因为这种双色光引发剂可溶解在树脂中,并能通过在分子主链上切割一个分子环来实现反应。

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图 | Xolography 3D 打印技术

如上图,第一波长的光片激发一薄层的光敏分子后,使其从休眠状态变为潜在状态;接着,正交布置的投影仪产生第二波长的光,将制造 3D 模型的截面图像聚焦到光片平面中。

这时,只有处于潜伏状态的引发剂分子,可以吸收投影仪的光、并使当前层聚合。在树脂体积通过的固定光学装置同步移动期间,设备会投影出一系列图像,并连续地制造所需对象,最后交叉 X 光束产生整个全息对象的印刷过程就叫 Xolography。

在过程中,Xolography 需要一种双色光引发剂(DCPI),雷格利通过将二苯甲酮 Ⅱ 型光引发剂、集成到螺吡喃分子光开关中来实现。尽管已有部分研究将后者用作自由基的光开关前体、来初始化聚合过程,但该实验的 DCPI 可将有效的光开关和光引发特性,与有利的光谱以及热特性相结合。并且,DCPI 和相关衍生物的合成相对更简单。

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图 | 体积数字化制造

为抑制单波长光引发通道,雷格利等人开发出一款光片方法,以确保树脂室中的体素只暴露于紫外光一次。为了产生光片,375nm 半导体激光器的高斯光束被转换成发散的激光线,在进一步准直后、聚焦到印刷体中心,从而实现光束腰向容器边缘加宽。

另外,容器的 UV 辐照度和速度,可以控制特定树脂组合物的制造。为确定最佳值,该团队开发出一款校准程序,测试了几个辐照度 - 速度对。结果他们获得了一个用于 Xolography 的参数空间,该参数空间可分别受到双色固化所需的最小紫外光剂量和最大剂量限制。

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图 | 高分辨率物体特征的表征

相比来说,Xolography 作为 VAM 中引发聚合的新型化学技术,能更好地控制聚合的液体体积,该技术可将分辨率提高到此前相关技术的十倍,且不以牺牲打印速度为代价。

对于本次成果,雷格利等人预测称,通过使用更好的光学系统,Xolography 的特征分辨率和体积生成率可进一步提高,但所有 VAM 系统仍面临一些挑战,例如怎样将打印量扩大、以及找到在同一打印中使用多种材料的方法。

而随着印刷速度的提高和新材料的出现,如果使用 VAM 和 Xolography 能取得较好进展,则有可能实现商品量产,比如生产运动鞋零件、牙科陶瓷、航空航天组件、医疗设备等。

一切 “始于郊外啤酒花园”

 

马丁・雷格利年轻而富有魅力,不仅有科学家勇于尝试、不断试错的精神,又有创业者所独具的专注力与果敢。

他的专长是光子成像和系统开发。出生于柏林的他,曾在柏林伊尔梅瑙工业大学和洪堡大学学习物理。

在导师的带领下,他写了一篇关于卡西尼号飞船上的氢氘吸收池(HDAC)仪器的毕业论文。此后,他分别在德国航空航天中心(DLR)和美国大气与空间物理实验室(LASP)工作。

从美国回来后,他跟从内心对光学的强烈兴趣,先是写了一篇关于光生物物理学的博士论文,后来又成立了一家公司,专注于开发和生产科学相机以及光学检测系统。

10 年后,他开始转换职业,并于 2017 年获得勃兰登堡应用科技大学视觉科学和光学器件工程教授职位。目前他已婚,并育有 3 个孩子。

而今,他所研发的 X 线照相体积 3D 打印技术,再度掀起 3D 打印的革命热潮。不过,此次创新成果来自于化学家、物理学家和材料科学家之间的跨学科合作。雷格利主要贡献了光学和光子学方面的专业知识。

说起该研究的开端,雷格利戏称 “始于郊外啤酒花园”,他说:“一切开始于 2018 年夏天柏林郊外啤酒花园里的轻松交谈,记得我们当时聊了很多,讨论了一些可行的想法。Stefan(本次研究论文的一位通讯作者)、Dirk Radzinski 都参加了这次对话,他们对该项目的推进至关重要。”

 

曾经的创业经历,对他来说影响深远。成长中的初创公司,通常意味着要在时间压力和有限的资源下工作,所以他学会了专注于特定目标。

他说:“多年以来,我在即兴研究方面得到了一些经验。我在学术环境中工作的时间还不够长,但是到目前为止,我还是很满意的。”

谈到企业家和学者之间的主要区别时,雷格利表示,作为企业家的个人风险更高,但是可以更迅速地看到成败。在学术生活中,则需要更多的毅力、以及对负面结果的宽容。但不可否认的是,两个世界都令人感到兴奋和激动。

 


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