Nature重磅：X交叉光片照相体积3D打印技术，Xolography无需支撑

增材制造的应用范围正在迅速扩展，包括批量生产运动鞋类零件、牙科陶瓷、航空航天零件、制造微流体、医疗设备、人造器官等。所使用的光固化3D打印技术，由于对空间和时间的高度控制而特别成功，但这些技术仍具有点状或分层生成的常见图案，如SLA、激光粉末床融合、连续液体界面生产（CLIP），Volumetric体积3D打印技术是发展得下一个方向。
△X交叉光片照相体积光固化3D打印机

2020年12月23日，南极熊注意到，顶级期刊《nature》上重磅发布了一篇论文Xolography for linear volumetric 3D printing，可以理解为X线照相体积3D打印技术。文章作者来自德国勃兰登堡应用技术大学Martin Regehly和洪堡大学Stefan Hecht，该技术允许以高达25微米的特征分辨率和55立方毫米/秒的固化速度3D打印物体。

△X交叉光片照相体积3D打印原理

xolography是一种双光技术，它使用可以光转换的光引发剂，通过相交不同波长的光束进行线性激发，从而在特定的单体体积内引发光敏树脂的局部聚合。科学家们使用容积式打印机演示了这一概念，打印出具有复杂结构特征以及机械和光学功能的三维物体。与最先进的体积3D打印方法相比，此技术的分辨率约为无反馈优化的计算机轴向平版打印技术的十倍，并且体积生成速率比双光子聚合3D打印技术高出四到五个数量级。
△实拍视频：X交叉光片照相体积3D打印技术

体积3D打印是3D打印的一种全新形式，从字面上速度大大加快。它基于将光图像从不同角度投射到透明树脂内部。重复曝光会导致3D对象以极快的速度在树脂槽中凝固。


让南极熊3D打印网觉得更厉害的是，德国柏林科学家们已经就这项技术创立了一家公司xolo，将对其进行商业化。如果成功的话，体积3D打印将会与现有3D打印技术，尤其是SLA、LCD和DLP光固化工艺，产生强大的竞争力。

X交叉光片照相体积3D打印技术原理


△X交叉光片照相体积3D打印样品，物体直接在树脂槽中凝固完成


在一缸树脂中，应用两种不同波长的射线。第一波长“激活”一个区域，然后第二个相交的波长会导致被激活的树脂聚合凝固。或者是可以抑制聚合！

究竟是如何运作？事实证明，xolo的方法是将“射线光片”投射到透明树脂桶中。“ Sheets”似乎很像一个层，但是有很多不同的角度，并不像其他3D打印过程那样依靠堆叠来3D打印对象。一定厚度的矩形光照射一定体积的粘性树脂。选择光的波长来激活被称为双色光引发剂(DCPIs)的分子，通过切割分子主链上的一个分子环来激活；这个反应只发生在光圈内。

第二束光投射出3D对象的切片图像，引发树脂材料凝固。第二束的波长与第一束不同，任何被激发的DCPI分子都会引发树脂聚合，使薄片固化。然后，树脂相对于光片的位置移动，光片是固定的。这改变了光片在树脂中的位置，因此激活和诱发过程可以在一个新的位置重新开始，从而一片片地构建对象。投影机处于固定位置，同时旋转大桶以呈现不同的视图。科学家们解释：

“正交布置的投影仪产生第二波长的光，并将3D模型的截面图像聚焦到光片平面中。只有处于激活状态的引发剂分子吸收投影仪的光，并导致电流层聚合。通过在固定体积的光学装置同步移动树脂槽期间，投射黑白图像的视频，可以连续制造3D模型零件。”

“光薄片”方法可确保任何特定的体素在整个过程中，仅暴露于固化光一次。这将使打印结果具有非常高的准确性，因为投影时光学系统已调整为呈现0.021毫米见方的像素。

△X交叉光片照相体积3D打印机核心组成模块

激光系统：405nm的二极管激光器转换为激光线，并通过透镜准直，生成均匀的薄光片。薄光片的厚度决定z轴分辨率。

投影机：从要创建的3D模型获得的切片图像的视频将显示并聚焦到光片中。当容器离开投影机时，投影机会发出可见光并保持焦点。x和y方向上的分辨率取决于投影仪的分辨率和所需的物体尺寸。

X线照相：交叉光束（x）产生整个物体（整体）。称其为X线照相术。特定波长的光片会激活光引发剂的薄层。正交布置的投影仪将3D模型的截面图像发射到光片中。只有引发剂分子吸收光并开始聚合。投影与移动的树脂体积和缩放同步，从而实现3D打印。

无需支撑的光固化3D打印

南极熊相信，很多读者都会有疑问，“它的支撑结构怎么办呢？”。事实证明，无论模型有多么复杂，X线照相光固化3D打印技术都不需要支撑结构。这是因为打印作业的松散部分暂时被周围的粘性树脂支撑。

Xolo解析说，光敏树脂材料单体的交联，会导致密度变化，从而导致零件在重力作用下的下沉速率不同。树脂的高打印速度和粘度使这种影响最小化，因此零件的下沉仅在制造完成后才变得明显。”

真是难以置信啊！

X交叉光片照相体积3D打印的速度

那么，X交叉光片照相体积3D打印的速度到底有多快？论文表明，它的速度是双光子3D打印技术的10,000-100,000倍。而且双光子技术只能打印一些很小的物体，并且打印速度非常慢。但X线体积3D打印意味着大约每小时可以3D打印固化一升材料；如果使用更强大的激光光源和更精细的树脂，打印速度将大大提高。

美国Carbon凭借CLIP连续液面光固化3D打印技术，已经发展成为全球的3D打印大型厂商，估值超20亿美元。南极熊猜想，德国xolo凭借X交叉光片照相体积3D打印技术，未来也有望成为3D打印独角兽企业。


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