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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

2019-02-04
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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。

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