3D列印革命性升級！只要光照幾十秒，完美雕像浮出水面

郭一璞 問耕 假裝發自 凹非寺

量子位 出品 | 公眾號 QbitAI

你見過的那些3D印表機都過時了。

傳統的3D列印，像往蛋糕上擠奶油一般，照著目標的樣子，一層一層擠出來。

不光動作慢，而且外表粗糙，產品表面總有橫躺的一根一根的痕迹。

這實在太不完美了。

但現在，一份剛剛發表在Science上的研究提供了全新的3D列印技術：

將液體材料注入燒杯。

以光為刀，簡單照射。

需要列印的物體就在水中出現。

而且，列印出來的思想者雕塑，整體圓潤，表面光滑，全然不見那些參差的表面紋理。

簡直就是《星際迷航》中的複製機啊！

憑空光刻

而利用光聚合反應，能夠合成任意的幾何形狀，開頭出現的神奇一幕，就是通過這個原理最終完成了3D列印。

研究人員為此開發了一種計算軸向光刻（CAL）方法。

CAL製造系統能夠選擇性的固化容器內的光敏液體（甲基丙烯酸酯明膠水凝膠）。這個系統把一組二維圖像，從不同的角度投射出來，這種多角度的曝光疊加，可以讓光敏液體固化成所需要的幾何形狀。

以列印「思想者」雕像為例，簡單說一下。

整套系統大體上就是下面這個樣子。

光從一個商用的DLP投影儀里射出，投向一個中間持續旋轉的系統，裡面裝有光敏液體。

在不到一分鐘的時間裡，思想者就在液體里逐漸成型了。

這個系統的核心就是CAL演算法。

還是以「思想者」為例，想要真正完成列印並不容易。首先得進行三維模型的重建，包括2D的傅里葉變換。然後還得針對光敏液體的劑量進行優化計劃等等。

其中涉及的公式之一如下：

這些參數包括材料充分凝固的臨界劑量、樹脂的光學吸收係數、容器的旋轉速率徑向投影強度、光敏材料的衰減等等。

快速靈活

之前提到，普通的3D列印，主要是通過逐層堆疊一維或者二維單元的方式完成，但這種方法的速度有限，而且降低了表面質量，有可能導致機械性能的各向異性。

速度快是這套系統的優勢之一，而且還能使用不同的材料完成列印。

在「思想者」這個案例中，在不同的精度和材料條件下，列印時間為30-120秒。這套系統的最高精度，目前可以達到0.3毫米。

能列印的東西種類很多。

比方複雜度很高的牙科模型、晶格結構。

還有飛機模型、水晶球等……

列印出來的物體甚至可以具備彈性。

甚至還能在已有物體上列印，譬如為一個螺絲刀桿，列印一個刀把。

在列印過程中，還涉及氧氣抑制、光場干涉、3D空間和2D投影之間的轉換匹配等問題。不過好在CAL演算法支持.stl文件，可以廣泛支持此前3D列印的CAD模型。

與此前的Carbon3D相比，這套系統是一次性整體成型。而且在論文中作者表示，這套技術還能用於更大尺寸的3D列印。

如果你對細節感興趣，可以細讀一下發表在Science上的論文：

Volumetric additive manufacturing via tomographic reconstruction

作者團隊

這份研究的作者們，來自UC伯克利和美國勞倫斯利佛摩國家實驗室。

三位共同一作，都從事材料、機械方面的研究。

Brett E. Kelly，UC伯克利機械工程系博士，他的導師正是這篇論文的通訊作者Hayden K. Taylor。同時，Kelly還是勞倫斯利佛摩國家實驗室的增材製造研究員。

Indrasen Bhattacharya，UC伯克利應用科學技術博士，主要研究新型半導體光電器件、納米激光器、硅光子集成、納米光子學、計算光學成像、計算機斷層掃描和成像等技術。

Hossein Heidari，也是UC伯克利機械工程系博士，Brett E. Kelly的同門師弟，研究納米製造相關方向。

One More Thing

馬上要過年了，祝量子位的讀者們，春節快樂，闔家幸福！

—完—

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