无需层层3D打印，斯坦福在Nature上发表体积增材制造技术

| 3DScienceValley · 2022/04/25

关于近瞬时体积3D打印技术，很多3D科学谷的谷友或许有印象，2016年，迪士尼申请了名为 ‘Near Instantaneous Object Printing Using a Photo-Curing Liquid’（液体光敏树脂的近瞬时打印技术）。该技术有效地扫除了束缚高速三维打印的最大障碍：第一，缓慢的层到层生产方式；其次，浪费生产时间、材料和后处理费用的支撑结构。近日，斯坦福大学在在Nature上发表体积增材制造技术，其核心能力是在纳米尺度上控制材料固化。

在这个 3D 打印过程中，蓝光的小点会引发化学反应，使树脂硬化成塑料。
© 斯坦福大学

轻松3D打印复杂的设计

由斯坦福大学电气工程助理教授、哈佛大学罗兰研究所前罗兰研究员 Dan Congreve 及其同事开发了一种在固定树脂体积3D打印的方法。3D打印的物体完全由厚树脂支撑，根据3D科学谷的了解，要理解这种技术可以想象一个动作人偶漂浮在一块果冻的中心，这个动作人偶是通过红光固化的，而制造这样的物体可以从任何角度添加其他细节。

这消除了使用更标准的3D打印方法创建复杂设计通常所需的支撑结构的需要。这项研究成功最近发表在《自然》杂志上，这种新3D打印系统可以更轻松地打印日益复杂的设计，同时节省时间和材料。

体积3D打印
© 斯坦福大学

从表面上看，这项技术似乎相对简单：研究人员通过透镜聚焦激光并将其照射到凝胶状树脂中，这种树脂在暴露于蓝光时会变硬，然后使用红光实现3D打印，通过一些巧妙设计的纳米材料分散在树脂中，每个纳米胶囊比人类头发的宽度小1000倍。通过在树脂容器周围移动激光，能够创建详细的、无支撑的3D打印件。

实验室的科研人员专门使用一种称为三重态融合上转换的方法将一种波长的光转换为另一种波长。通过使正确的分子彼此靠近，研究人员可以创建一系列能量转移，例如，将低能红色光子转化为高能蓝色光子。

研究人员目前正在研究改进他们的3D打印技术的方法。他们正在研究同时打印多个点的可能性，这将大大加快3D打印过程，并且可以以更高的分辨率和更小的比例进行打印。

研究人员目前正在探索同时多点打印的可能性，这将大大加快这一过程，以及以更高的分辨率和更小的比例进行打印。研究人员也在探索使用上转换纳米胶囊的其他应用，通过将不可用的低能光转换成太阳能电池可收集的波长，将帮助提高太阳能电池板的效率。新技术也可用来帮助研究人员更精确地研究可用光触发的生物模型，甚至在未来提供局部治疗。

研究人员在纳米尺度上控制材料的能力提供了很多非常有前景的机会来解决原本难以解决的具有挑战性的问题。

体积3D打印的发展与趋势

根据3D科学谷，3D打印虽然一再被重视，并且业内普遍看好其进入个性化规模生产领域的潜力，然而即便是比传统方法能生产出更复杂的产品，在一些专业极的工业生产领域如注塑生产，迄今为止，3D打印无法击败注塑方式在大规模生产方面的速度。然而，另一方面，虽然阻力重重，3D打印却在打印速度方面不断获得突破。

3D科学谷曾在2016年介绍过不曾以科技范儿形象示人的迪士尼爆出颇具里程碑的技术专利：申请了名为 ‘Near Instantaneous Object Printing Using a Photo-Curing Liquid’（液体光敏树脂的近瞬时打印技术）。该技术有效地扫除了束缚高速三维打印的最大障碍：第一，缓慢的层到层生产方式；其次，浪费生产时间、材料和后处理费用的支撑结构。

概括来说，迪士尼的3D打印技术绕过层层扫描固化的生产方法，而是通过一个或更多的光源将三维模型“注入”液态树脂内。几乎在瞬时间，三维模型就被固化出来，而以往层层生产这样的产品需要几个小时，现在变为几分钟。

根据3D科学谷的市场研究，迪士尼专利的核心在于其聚焦透镜技术，如此大量的光“注入”光敏树脂槽内，这需要巧妙地设计光折射，而我们知道光固化树脂有其固化波长范围。迪士尼聚焦透镜技术通过光学组件的反射或重定向聚焦来控制三维物体的外表面反射光波长，从而恰到好处的控制光敏树脂固化，形成精确光滑的固化表面。

有趣的是斯坦福大学的这项研究中，使用了LED光源。根据3D科学谷的市场观察，2017年LLNL（劳伦斯·利弗莫尔国家实验室）国家实验室推出了一种新的瞬时光刻技术可以通过使用全息光场在几秒钟内完成整个3D形状的制作。当时，LLNL还在尝试通过LED作为光源和幅度调制来代替全息投影以达到相同的效果。不仅如此，LLNL还在尝试让树脂桶在其光轴上旋转，这可能会带来更大的产品制造方面的几何灵活性。

LLNL的研究人员开发的这项技术使用了特殊的树脂，当它们暴露在光下时会凝固。通过在充满树脂的槽中照射三束激光束以创建3D图案，从而能够在短短10秒内一次性制造3D结构的产品。这项技术能够一次性构建整个结构，消除了逐层3D打印方法的局限性，并显著提高了系统的制造速度。

具体的技术原理发表在《科学进展》杂志上，研究人员通过将三维全息图像分成三个不同的部分，然后通过分开的激光束将其投射到树脂箱中，激光从前部、底部和侧面进入，在激光重叠的地方形成3D光场。研究人员使用的树脂是一种光敏聚合物，一旦达到了一定的激光能量照射阈值，就会发生固化反应，固化结束后液态树脂被排出，留下3D结构的产品。

根据3D科学谷的市场观察，朝向更高效的3D打印速度发展，当前3D打印技术获得不断的突破。不仅仅如本文所提到的塑料3D打印领域所尝试的两种光束的探索，金属3D打印也出现了为了提升打印效率的各种探索，其中，在金属3D打印领域德国弗劳恩霍夫 IAPT正在质疑市场上普遍采用的高斯激光光束轮廓是否真的是L-PBF 激光粉末床金属3D打印的最有效路径。根据3D科学谷的深度了解，单模和环模的可变使用可提高生产率，激光在基于增材制造中暴露的几何形状的曲折图案中移动，这里的目的是在表面上建立特定的方格，就像棋盘上的方格一样。激光束轨道越宽，它们被填充的速度就越快，反过来，组件制造过程的速度就越快。工件的边缘应尽可能干净，并且可以使用激光器中心光纤的窄单模光束非常有效地进行后处理。

总体来说，3D打印技术从塑料打印到金属3D打印正在经历又一波的技术提升，这其中提升的一个主旋律是更高的制造效率。

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