3D打印革命性升级！只要光照几十秒，完美雕像浮出水面丨Science

郭一璞 问耕 假装发自 凹非寺 量子位 出品 | 公众号 QbitAI

你见过的那些3D打印机都过时了。

传统的3D打印，像往蛋糕上挤奶油一般，照着目标的样子，一层一层挤出来。

不光动作慢，而且外表粗糙，产品表面总有横躺的一根一根的痕迹。

这实在太不完美了。

但现在，一份刚刚发表在Science上的研究提供了全新的3D打印技术：

将液体材料注入烧杯。

以光为刀，简单照射。

需要打印的物体就在水中出现。

而且，打印出来的思想者雕塑，整体圆润，表面光滑，全然不见那些参差的表面纹理。

简直就是《星际迷航》中的复制机啊！

凭空光刻

而利用光聚合反应，能够合成任意的几何形状，开头出现的神奇一幕，就是通过这个原理最终完成了3D打印。

研究人员为此开发了一种计算轴向光刻（CAL）方法。

CAL制造系统能够选择性的固化容器内的光敏液体（甲基丙烯酸酯明胶水凝胶）。这个系统把一组二维图像，从不同的角度投射出来，这种多角度的曝光叠加，可以让光敏液体固化成所需要的几何形状。

以打印“思想者”雕像为例，简单说一下。

整套系统大体上就是下面这个样子。

光从一个商用的DLP投影仪里射出，投向一个中间持续旋转的系统，里面装有光敏液体。

在不到一分钟的时间里，思想者就在液体里逐渐成型了。

这个系统的核心就是CAL算法。

还是以“思想者”为例，想要真正完成打印并不容易。首先得进行三维模型的重建，包括2D的傅里叶变换。然后还得针对光敏液体的剂量进行优化计划等等。

其中涉及的公式之一如下：

这些参数包括材料充分凝固的临界剂量、树脂的光学吸收系数、容器的旋转速率径向投影强度、光敏材料的衰减等等。

快速灵活

之前提到，普通的3D打印，主要是通过逐层堆叠一维或者二维单元的方式完成，但这种方法的速度有限，而且降低了表面质量，有可能导致机械性能的各向异性。

速度快是这套系统的优势之一，而且还能使用不同的材料完成打印。

在“思想者”这个案例中，在不同的精度和材料条件下，打印时间为30-120秒。这套系统的最高精度，目前可以达到0.3毫米。

能打印的东西种类很多。

比方复杂度很高的牙科模型、晶格结构。

还有飞机模型、水晶球等……

打印出来的物体甚至可以具备弹性。

甚至还能在已有物体上打印，譬如为一个螺丝刀杆，打印一个刀把。

在打印过程中，还涉及氧气抑制、光场干涉、3D空间和2D投影之间的转换匹配等问题。不过好在CAL算法支持.stl文件，可以广泛支持此前3D打印的CAD模型。

与此前的Carbon3D相比，这套系统是一次性整体成型。而且在论文中作者表示，这套技术还能用于更大尺寸的3D打印。

如果你对细节感兴趣，可以细读一下发表在Science上的论文：

Volumetric additive manufacturing via tomographic reconstruction

作者团队

这份研究的作者们，来自UC伯克利和美国劳伦斯利佛摩国家实验室。

三位共同一作，都从事材料、机械方面的研究。

Brett E. Kelly，UC伯克利机械工程系博士，他的导师正是这篇论文的通讯作者Hayden K. Taylor。同时，Kelly还是劳伦斯利佛摩国家实验室的增材制造研究员。

Indrasen Bhattacharya，UC伯克利应用科学技术博士，主要研究新型半导体光电器件、纳米激光器、硅光子集成、纳米光子学、计算光学成像、计算机断层扫描和成像等技术。

Hossein Heidari，也是UC伯克利机械工程系博士，Brett E. Kelly的同门师弟，研究纳米制造相关方向。

One More Thing

马上要过年了，祝量子位的读者们，春节快乐，阖家幸福！

— 完 —