怎樣的技術(shù)才能造出世界最小的船 傳統(tǒng)3D打印技術(shù)各有千秋

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

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

從正式誕生到走進微觀世界，3D打印技術(shù)突飛猛進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，科學家是如何實現(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，對數(shù)字三維模型進行分層處理，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)，最終疊加形成一個三維整體。

內(nèi)蒙古包頭問號系統(tǒng)集成有限公司負責人曹建偉告訴記者：“簡單來說，3D打印需要首先設(shè)計出三維實體模型，打印機將數(shù)字模型轉(zhuǎn)換為一組三維打印機所需的移動指令，然后讓打印頭根據(jù)預先設(shè)定的軌跡在打印板上反復鋪設(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，通過帶有一個微細噴嘴的噴頭擠噴出來，根據(jù)設(shè)定好的移動路徑，將材料沉積在制作面板或者前一層已固化的材料上(當溫度低于一定數(shù)值后材料會固化)，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，當一層加工完畢后，就生成了零件的一個截面;然后升降臺下降一定距離，固化層上覆蓋另一層液態(tài)樹脂，再進行第二層掃描，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)更多特殊化場景的使用需求。而光固化3D打印可以實現(xiàn)0.1毫米的分辨率，并且可以實現(xiàn)平滑、細致的表面處理，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”很細微，幾乎觀察不到。之所以不影響打印效果，是因為光固化3D打印的精度離納米級的精度還有很遠的距離。

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，將一個光子作為基礎(chǔ)單位進行吸收。極少數(shù)情況下，由于物質(zhì)中存在特殊的能級躍遷模式，也會出現(xiàn)同時吸收兩個光子的情況，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，才會有足夠高的輻照度來確保有兩個光子同時被吸收。

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

“只有當光強達到一定值，才會出現(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)域限定在焦點附近誤差極小的范圍內(nèi)。通過精密移動臺配合，使得該焦點在光敏物質(zhì)內(nèi)移動，焦點經(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，精度可以達到納米級。”曹建偉告訴記者。

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

2019年，香港中文大學工程學院機械與自動化工程學系副教授陳世祈及其團隊研發(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。這相當于同時投射數(shù)百萬個激光焦點，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)制造一個點的時間內(nèi)制造出整個平面，將制造時間由幾天縮短到幾分鐘。(記者 張景陽 通訊員 李寶樂)