起源于20世紀(jì)80年代的3D打印，近年來發(fā)展迅猛，被譽(yù)為“第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志之一”。本月初，荷蘭萊頓大學(xué)的物理學(xué)家利用3D打印技術(shù)打印出了世界上最小的船只，船長(zhǎng)只有30微米，僅比細(xì)菌細(xì)胞大6倍。

研究人員使用掃描電子顯微鏡拍攝這艘船，展示其有一個(gè)開放的船艙、一個(gè)煙囪，甚至還有小舷窗。尤其令人印象深刻的是，整個(gè)模型的厚度只有人類頭發(fā)絲直徑的三分之一。該項(xiàng)目的研究人員表示，未來希望將其應(yīng)用于人體內(nèi)精準(zhǔn)靶向的藥物輸送。

從正式誕生到走進(jìn)微觀世界，3D打印技術(shù)突飛猛進(jìn)的背后是怎樣的技術(shù)變革?在幾立方微米的微觀空間內(nèi)創(chuàng)造一件物品，科學(xué)家是如何實(shí)現(xiàn)的呢?

傳統(tǒng)3D打印技術(shù)各有千秋

傳統(tǒng)的減材制造工藝是指利用已有的幾何模型工件，用工具將材料逐步切削、打磨、雕刻，最終成為所需的零件。而3D打印，又稱增材制造，是借助于3D打印設(shè)備，對(duì)數(shù)字三維模型進(jìn)行分層處理，將金屬粉末、熱塑性材料、樹脂等特殊材料一層一層地不斷堆積黏結(jié)，最終疊加形成一個(gè)三維整體。

內(nèi)蒙古包頭問號(hào)系統(tǒng)集成有限公司負(fù)責(zé)人曹建偉告訴記者：“簡(jiǎn)單來說，3D打印需要首先設(shè)計(jì)出三維實(shí)體模型，打印機(jī)將數(shù)字模型轉(zhuǎn)換為一組三維打印機(jī)所需的移動(dòng)指令，然后讓打印頭根據(jù)預(yù)先設(shè)定的軌跡在打印板上反復(fù)鋪設(shè)材料并融合連續(xù)的材料層，直到最終形成立體模型。”

據(jù)了解，熔融堆積技術(shù)(FDM)和光固化技術(shù)(SLA)，是目前最常見、最成熟的兩種3D打印技術(shù)。

“熔融堆積3D打印又叫熔絲沉積3D打印，它是將絲狀熱熔性材料加熱融化，通過帶有一個(gè)微細(xì)噴嘴的噴頭擠噴出來，根據(jù)設(shè)定好的移動(dòng)路徑，將材料沉積在制作面板或者前一層已固化的材料上(當(dāng)溫度低于一定數(shù)值后材料會(huì)固化)，通過材料的層層堆積形成最終成品。”曹建偉說。光固化3D打印則是以液態(tài)光敏樹脂為原料，通過數(shù)控裝置控制的掃描器，將激光光束按設(shè)計(jì)的掃描路徑照射到液態(tài)光敏樹脂表面，使表面特定區(qū)域內(nèi)的一層樹脂固化，當(dāng)一層加工完畢后，就生成了零件的一個(gè)截面;然后升降臺(tái)下降一定距離，固化層上覆蓋另一層液態(tài)樹脂，再進(jìn)行第二層掃描，第二固化層牢固地黏結(jié)在前一固化層上，這樣一層層疊加便形成了三維工件原型。將原型從樹脂中取出后，進(jìn)行最終固化，再經(jīng)打光、電鍍、噴漆或著色處理即可得到要求的產(chǎn)品。

據(jù)了解，熔融堆積3D打印可使用的原料種類繁多，能夠根據(jù)不同需求改變打印設(shè)置和硬件附件，更有利于定制化生產(chǎn)，能夠適應(yīng)更多特殊化場(chǎng)景的使用需求。而光固化3D打印可以實(shí)現(xiàn)0.1毫米的分辨率，并且可以實(shí)現(xiàn)平滑、細(xì)致的表面處理，這是熔融堆積3D打印無法比擬的。

新技術(shù)讓打印精度和速度不斷提升

光固化3D打印技術(shù)，在“固液結(jié)合面”上打印以及逐層堆積的過程中，免不了要產(chǎn)生微小的“漣漪”。這些“漣漪”很細(xì)微，幾乎觀察不到。之所以不影響打印效果，是因?yàn)楣夤袒?D打印的精度離納米級(jí)的精度還有很遠(yuǎn)的距離。

隨著研發(fā)技術(shù)不斷突破，3D打印已經(jīng)成功應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療、建筑、汽車等領(lǐng)域，制造業(yè)對(duì)零件精度的要求也越來越高。

以雙光子3D打印(TPP)為代表的高精度3D打印，因其具有高效率、高精度的顯著特性日漸受到青睞。

雙光子3D打印，又叫做雙光子聚合光固化成形技術(shù)，所用的材料也是光敏樹脂。不同之處在于，傳統(tǒng)的光固化技術(shù)所利用的都是單光子聚合，將一個(gè)光子作為基礎(chǔ)單位進(jìn)行吸收。極少數(shù)情況下，由于物質(zhì)中存在特殊的能級(jí)躍遷模式，也會(huì)出現(xiàn)同時(shí)吸收兩個(gè)光子的情況，這就是“雙光子吸收效應(yīng)”。但只有在高度聚焦的激光中心部位，才會(huì)有足夠高的輻照度來確保有兩個(gè)光子同時(shí)被吸收。

通常情況下，常見的物體如一塊玻璃或一杯水，對(duì)特定波長(zhǎng)的光透過率是一定的，吸收率也是一定的，這個(gè)比例并不會(huì)隨著光強(qiáng)度變化而變化。但是雙光子吸收效應(yīng)，卻會(huì)隨著光能量密度的增加而加強(qiáng)。

“只有當(dāng)光強(qiáng)達(dá)到一定值，才會(huì)出現(xiàn)明顯的雙光子吸收效應(yīng)，將激光聚焦，就可以將反應(yīng)區(qū)域限定在焦點(diǎn)附近誤差極小的范圍內(nèi)。通過精密移動(dòng)臺(tái)配合，使得該焦點(diǎn)在光敏物質(zhì)內(nèi)移動(dòng)，焦點(diǎn)經(jīng)過的位置，光敏物質(zhì)變性、固化，就可以打印出任意形狀的3D物體，精度可以達(dá)到納米級(jí)。”曹建偉告訴記者。

據(jù)介紹，雙光子3D打印是使用激光逐點(diǎn)寫入，再分層打印，這種“由點(diǎn)及面再逐層增加”的打印方式雖然精度很高但是速度很慢(約每小時(shí)0.1立方毫米)，即使制造小型元器件都要花費(fèi)數(shù)天甚至幾個(gè)星期的時(shí)間。另外激光光源有壽命限制，一般每套機(jī)器只能使用約兩萬小時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間的使用又造成了雙光子3D打印的高昂成本。

2019年，香港中文大學(xué)工程學(xué)院機(jī)械與自動(dòng)化工程學(xué)系副教授陳世祈及其團(tuán)隊(duì)研發(fā)了“飛秒投影雙光子光刻3D打印”(FP-TPL)技術(shù)，將原有打印速度提升了數(shù)千至一萬倍。據(jù)了解，這種技術(shù)可以在與激光束垂直的平面上形成可編程的飛秒光片，用于平行寫入。這相當(dāng)于同時(shí)投射數(shù)百萬個(gè)激光焦點(diǎn)，以取代傳統(tǒng)的聚焦方法。換句話說，飛秒投影雙光子光刻3D打印技術(shù)可以在雙光子3D打印技術(shù)制造一個(gè)點(diǎn)的時(shí)間內(nèi)制造出整個(gè)平面，將制造時(shí)間由幾天縮短到幾分鐘。(記者 張景陽 通訊員 李寶樂)