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LLNL國家實驗室推出近瞬時光刻3D打印技術

2017-12-19 15:38:05 作者：本網整理來源：3D科學谷分享至：

3D打印技術允許工程師完成那些傳統制造所難以實現或者是不可能實現的復雜結構，但是3D打印所普遍遵循的逐層構建方法通常比較慢并且會限制構建的形狀尺寸。

所以即便是比傳統方法能生產出更復雜的產品，在一些專業級的工業生產領域如注塑生產，迄今為止，3D打印很難挑戰注塑方式在大規模生產方面的速度。然而，雖然阻力重重，3D打印卻在打印速度方面不斷獲得突破。

LLNL（勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室）國家實驗室推出了一種新的瞬時光刻技術可以通過使用全息光場在幾秒鐘內完成整個3D形狀的制作。

LLNL的研究人員開發的這項技術使用了特殊的樹脂，當它們暴露在光下時會凝固。通過在充滿樹脂的槽中照射三束激光束以創建3D圖案，從而能夠在短短10秒內一次性制造3D結構的產品。這項技術能夠一次性構建整個結構，消除了逐層3D打印方法的局限性，并顯著提高了系統的制造速度。

具體的技術原理發表在《科學進展》雜志上 (下載資料請申請加入3D科學谷產業鏈QQ群529965687），研究人員通過將三維全息圖像分成三個不同的部分，然后通過分開的激光束將其投射到樹脂箱中，激光從前部、底部和側面進入，在激光重疊的地方形成3D光場。研究人員使用的樹脂是一種光敏聚合物，一旦達到了一定的激光能量照射閾值，就會發生固化反應，固化結束后液態樹脂被排出，留下3D結構的產品。

圖片來源：Sci. Adv. 2017; 3: eaao5496

該小組使用他們的技術來打印了一系列毫米級的產品，包括立方體、金字塔和網格結構。通過優化，這種近瞬時光固化方法可以達到幾微米的分辨率。

圖片來源：Sci. Adv. 2017; 3: eaao5496

圖片來源：Sci. Adv. 2017; 3: eaao5496

不過要讓激光實現在樹脂的均勻分布意味著這種制造技術不太適合于大型結構部件，但根據LLNL，目前制造1000立方毫米（1立方厘米）大小的產品是非常可行的。

關于這種技術的應用領域，研究人員特別感興趣的是生物醫學植入物。當前關于生物打印活體組織的研究越來越多，這些組織通常使用懸浮在生物相容性物質如水凝膠中的活細胞制成的生物墨水。這些材料通常是柔軟的且容易變形，這使得3D打印過程中涉及到大量的運動是不可取的，而LLNL的靜態方法可能是一個有前途的選擇。

北卡羅來納大學化學教授兼3D打印公司Carbon聯合創始人Joseph DeSimone對LLNL的近瞬時光固化技術感到十分興奮，他認為這對于提高光聚合物3D制作速度來說是一個有趣的方法。不過，要實現商業化，LLNL還需要推動硬件方面的進步，再配合軟件和樹脂才能打造一個完整的面向應用端的解決方案配套。

LLNL同意還有很多工作要做，而且目前他們所使用的光聚合物的材料性能仍然有限。此外，研究人員還認為創造3D光場可能比全息投影更好。全息投影需要使用成本高昂的復雜光學設備，并且容易出現“激光散斑”的情況，這使得激光干擾自身，并引起所制造的產品表面粗糙的問題。

LLNL正在嘗試通過LED作為光源和幅度調制來代替全息投影以達到相同的效果。目前，LLNL已經在這方面取得了進展。不僅如此，LLNL還在嘗試讓樹脂桶在其光軸上旋轉，這可能會帶來更大的產品制造方面的幾何靈活性。

關于近瞬時打印技術，很多3D科學谷的谷友或許有印象，2016年，迪士尼申請了名為 ‘Near Instantaneous Object Printing Using a Photo-Curing Liquid’（液體光敏樹脂的近瞬時打印技術）。該技術有效地掃除了束縛高速三維打印的最大障礙：第一，緩慢的層到層生產方式；其次，浪費生產時間、材料和后處理費用的支撐結構。

通常，在固化液態光敏樹脂的時候，需要系統把電腦的三維CAD圖像進行切片處理，然后右光源對樹脂進行層層固化加工，而在固化過程中，為了節約材料，通常只固化建模圖形的外壁，也就是說產品是空心或者內部是蜂窩狀的。而根據迪士尼的專利申請描述，迪士尼的3D打印技術繞過層層掃描固化的生產方法，而是通過一個或更多的光源將三維模型“注入”液態樹脂內。幾乎在瞬時間，三維模型就被固化出來，而以往層層生產這樣的產品需要幾個小時，現在變為幾分鐘。
3D科學谷認為這一專利的核心在于其聚焦透鏡技術，如此大量的光“注入”光敏樹脂槽內，這需要巧妙地設計光折射，而我們知道光固化樹脂有其固化波長范圍。迪士尼聚焦透鏡技術通過光學組件的反射或重定向聚焦來控制三維物體的外表面反射光波長，從而恰到好處的控制光敏樹脂固化，形成精確光滑的固化表面。

迪士尼近瞬時三維打印工藝的另一個令人興奮的特點是不需要支撐結構。在傳統的3D打印方式中，如果打印對象有外伸部件如帶檐的帽子或張開雙臂，就需要在建模的過程中增加支撐結構，不僅僅耗費額外的材料和加工時間，在打印完成后也需要額外的去除支撐的后處理工序。迪士尼的解決方案是通過未固化的液態樹脂支撐3D打印對象，打印完成的三維物體漂浮在樹脂液體內。

聽起來LLNL的技術與迪士尼所申請的專利所描述的技術頗為相似。有關具體的區別，3D科學谷將保持持續關注。

在光固化領域，LLNL在2015年還發明了大面積投影微立體光刻技術（Large Area Projection Micro Stereolithography－LAPμSL），該方法可用紫外光創建出比以前常見的微立體光刻技術更大、更精細的3D對象。這項技術解決了大與精致的矛盾，有望將光敏樹脂3D打印的應用在間接模具領域推向一個新的高度，包括那些中空的、極輕、高精、極復雜的大型部件的制造技術突破。

LAPμSL技術所能實現的微精度來自于LLNL對于打印系統關鍵的光學元件進行的專門設計和定制，其大來自于通過LLNL專門的軟件進行大面積范圍的掃描，復制和重疊高清晰圖像。這好比是將DLP與SLA的技術優勢結合起來，既具有出色細節的直接光處理技術，又具有更高的速度和大得多的區域掃描方法，這使得研究人員能夠更快地3D打印出更大和更為復雜的對象，同時保持難以置信的高分辨率，其細部特征可以達到微米級。

可以說LLNL在立體光刻領域正在挺進瞬時、微米級的技術突破范疇。