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在几立方微米的微观空间内创造一件物品科学家是如何实现的

2020-11-12 11:01:23来源：科技日报

长30微米，厚度仅为发丝的三分之一

起源于20世纪80年代的3D打印，近年来发展迅猛，被誉为“第三次工业革命的重要标志之一”。本月初，荷兰莱顿大学的物理学家利用3D打印技术打印出了世界上最小的船只，船长只有30微米，仅比细菌细胞大6倍。

研究人员使用扫描电子显微镜拍摄这艘船，展示其有一个开放的船舱、一个烟囱，甚至还有小舷窗。尤其令人印象深刻的是，整个模型的厚度只有人类头发丝直径的三分之一。该项目的研究人员表示，未来希望将其应用于人体内精准靶向的药物输送。

从正式诞生到走进微观世界，3D打印技术突飞猛进的背后是怎样的技术变革?在几立方微米的微观空间内创造一件物品，科学家是如何实现的呢?

传统3D打印技术各有千秋

传统的减材制造工艺是指利用已有的几何模型工件，用工具将材料逐步切削、打磨、雕刻，最终成为所需的零件。而3D打印，又称增材制造，是借助于3D打印设备，对数字三维模型进行分层处理，将金属粉末、热塑性材料、树脂等特殊材料一层一层地不断堆积黏结，最终叠加形成一个三维整体。

内蒙古包头问号系统集成有限公司负责人曹建伟告诉记者：“简单来说，3D打印需要首先设计出三维实体模型，打印机将数字模型转换为一组三维打印机所需的移动指令，然后让打印头根据预先设定的轨迹在打印板上反复铺设材料并融合连续的材料层，直到最终形成立体模型。”

据了解，熔融堆积技术(FDM)和光固化技术(SLA)，是目前最常见、最成熟的两种3D打印技术。

“熔融堆积3D打印又叫熔丝沉积3D打印，它是将丝状热熔性材料加热融化，通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出来，根据设定好的移动路径，将材料沉积在制作面板或者前一层已固化的材料上(当温度低于一定数值后材料会固化)，通过材料的层层堆积形成最终成品。”曹建伟说。光固化3D打印则是以液态光敏树脂为原料，通过数控装置控制的扫描器，将激光光束按设计的扫描路径照射到液态光敏树脂表面，使表面特定区域内的一层树脂固化，当一层加工完毕后，就生成了零件的一个截面;然后升降台下降一定距离，固化层上覆盖另一层液态树脂，再进行第二层扫描，第二固化层牢固地黏结在前一固化层上，这样一层层叠加便形成了三维工件原型。将原型从树脂中取出后，进行最终固化，再经打光、电镀、喷漆或着色处理即可得到要求的产品。

据了解，熔融堆积3D打印可使用的原料种类繁多，能够根据不同需求改变打印设置和硬件附件，更有利于定制化生产，能够适应更多特殊化场景的使用需求。而光固化3D打印可以实现0.1毫米的分辨率，并且可以实现平滑、细致的表面处理，这是熔融堆积3D打印无法比拟的。

新技术让打印精度和速度不断提升

光固化3D打印技术，在“固液结合面”上打印以及逐层堆积的过程中，免不了要产生微小的“涟漪”。这些“涟漪”很细微，几乎观察不到。之所以不影响打印效果，是因为光固化3D打印的精度离纳米级的精度还有很远的距离。

随着研发技术不断突破，3D打印已经成功应用于航空航天、医疗、建筑、汽车等领域，制造业对零件精度的要求也越来越高。

以双光子3D打印(TPP)为代表的高精度3D打印，因其具有高效率、高精度的显著特性日渐受到青睐。

双光子3D打印，又叫做双光子聚合光固化成形技术，所用的材料也是光敏树脂。不同之处在于，传统的光固化技术所利用的都是单光子聚合，将一个光子作为基础单位进行吸收。极少数情况下，由于物质中存在特殊的能级跃迁模式，也会出现同时吸收两个光子的情况，这就是“双光子吸收效应”。但只有在高度聚焦的激光中心部位，才会有足够高的辐照度来确保有两个光子同时被吸收。

通常情况下，常见的物体如一块玻璃或一杯水，对特定波长的光透过率是一定的，吸收率也是一定的，这个比例并不会随着光强度变化而变化。但是双光子吸收效应，却会随着光能量密度的增加而加强。

“只有当光强达到一定值，才会出现明显的双光子吸收效应，将激光聚焦，就可以将反应区域限定在焦点附近误差极小的范围内。通过精密移动台配合，使得该焦点在光敏物质内移动，焦点经过的位置，光敏物质变性、固化，就可以打印出任意形状的3D物体，精度可以达到纳米级。”曹建伟告诉记者。

据介绍，双光子3D打印是使用激光逐点写入，再分层打印，这种“由点及面再逐层增加”的打印方式虽然精度很高但是速度很慢(约每小时0.1立方毫米)，即使制造小型元器件都要花费数天甚至几个星期的时间。另外激光光源有寿命限制，一般每套机器只能使用约两万小时，长时间的使用又造成了双光子3D打印的高昂成本。

2019年，香港中文大学工程学院机械与自动化工程学系副教授陈世祈及其团队研发了“飞秒投影双光子光刻3D打印”(FP-TPL)技术，将原有打印速度提升了数千至一万倍。据了解，这种技术可以在与激光束垂直的平面上形成可编程的飞秒光片，用于平行写入。这相当于同时投射数百万个激光焦点，以取代传统的聚焦方法。换句话说，飞秒投影双光子光刻3D打印技术可以在双光子3D打印技术制造一个点的时间内制造出整个平面，将制造时间由几天缩短到几分钟。

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