這些神奇的動(dòng)圖都出自最近發(fā)表在《科學(xué)》（Science）上的一篇有關(guān)3D打印技術(shù)的研究論文。這種新技術(shù)顯然也征服了期刊的編輯，在期刊封面上都出現(xiàn)了這個(gè)從液體中打印出來(lái)的“倒立鐵塔”的身影。那么，這種液體3D打印技術(shù)究竟有什么過(guò)人之處？球和塔又是怎么從液體里“拉”出來(lái)的呢？

 

《科學(xué)》封面上的3D打印

　　

　　

把相對(duì)容易流動(dòng)的液體材料變成固體，這種思路其實(shí)并不新鮮，硫化橡膠就是這種材料加工方式的典型例子。那么，固化的過(guò)程是如何發(fā)生的呢？下面，就讓我們來(lái)看圖說(shuō)話：

 

 

在圖中，小a、小b、小c等等是一群活潑的聚合物分子，因?yàn)檫@些鏈狀的分子之間很容易相互移動(dòng)，所以看上去是一灘黏黏的液體（有時(shí)候可能粘度很大，比如硫化前的天然橡膠，它從樹(shù)上滴下來(lái)的速度非常緩慢）。有一天惡魔把一把單純善良的固化劑混進(jìn)了小兄弟里面，小兄弟活潑依舊，絲毫沒(méi)有發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)的存在。突然有一天惡魔把這灘小兄弟連固化劑一起放進(jìn)了高溫高壓的一個(gè)東西里面（一般稱為硫化機(jī)/熱壓機(jī)），然后看似無(wú)害的固化劑長(zhǎng)出了魔爪，死死抓住了小兄弟們，一個(gè)又一個(gè)的魔爪分別抓住不同的兄弟們，產(chǎn)生了很多交聯(lián)結(jié)構(gòu)，即使沒(méi)有了高溫高壓也不會(huì)再放開(kāi)。最后小兄弟們?cè)僖膊荒茈S便活動(dòng)了，這灘液體也變成了硬硬的一塊——這就是固化過(guò)程的通（dou）俗（bi）解釋。當(dāng)然也有些固化劑的固化原理是引發(fā)小分子聚合物上的基團(tuán)相互反應(yīng)的，這種一般被稱為引發(fā)劑。

　　

　　

在從液體里“拉”出固體的3D打印技術(shù)當(dāng)中，活化固化劑的方式從熱壓變成了光，所以這種技術(shù)被稱為立體光固化成型（SLA）。這里所用到的液體材料被稱為光敏樹(shù)脂，一般是環(huán)氧樹(shù)脂或不飽和聚酯等摻雜一些對(duì)特定波長(zhǎng)敏感的光引發(fā)劑制成的。這類(lèi)技術(shù)本身也并不是什么新生事物了，它的歷史可以追溯到1984年。

　　

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，立體光固化的過(guò)程就是光照射光敏樹(shù)脂表面，使其固化成薄薄的一層固體，已經(jīng)固化完成的部分被一塊基板黏附著，逐漸與光照射面拉開(kāi)一定距離（通常是每次移動(dòng)十幾個(gè)微米），然后在上一層固化樹(shù)脂的基礎(chǔ)上再進(jìn)行下一層的照射和固化。經(jīng)過(guò)層層固化疊加之后，最終就形成一個(gè)完整的立體結(jié)構(gòu)。下面這張圖表示的就是SLA設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)，固化反應(yīng)發(fā)生在打印樹(shù)脂與透光玻璃板的交界面上，由于光照射面在液面的下方，打印的過(guò)程看上去就像從液體里“拉”出了打印制件一樣。

 

 

　　

而這次的論文展示的是一種名叫連續(xù)液態(tài)界面制造（CLIP）的改良技術(shù)，從本質(zhì)上講，它也是立體光固化技術(shù)的一種。但作為登上《科學(xué)》封面的新技術(shù)，它絕不僅僅是這么簡(jiǎn)單。CLIP技術(shù)不僅可以穩(wěn)定地提高3D打印速度，同時(shí)還可以大幅提高打印精度。這種新型的CLIP技術(shù)制作一個(gè)普通模型所需要的時(shí)間只有短短幾分鐘，與傳統(tǒng)方法相比快了幾十倍。而且，它還可以相對(duì)輕松地得到無(wú)層面（layerless）的打印制品（參見(jiàn)下圖）。與傳統(tǒng)光固化技術(shù)相比，CLIP帶來(lái)的這種改變可以堪稱是革命性的。

 

打印制品的顯微結(jié)構(gòu)

　　

所有的3D打印過(guò)程都需要面對(duì)打印精度與打印速度的權(quán)衡問(wèn)題。比如平時(shí)最常見(jiàn)的熔絲沉積（FDM）的打印方式，這種方式需要將加熱熔化的材料像擠奶油一樣地?cái)D出來(lái)，并逐層堆積形成需要的形狀。擠出的熔化材料的粗細(xì)會(huì)直接影響制品的精度和打印速度，在實(shí)際操作中，打印精度往往讓步于打印速度。為了在人們能夠接受的時(shí)間內(nèi)得到制品，F(xiàn)DM制品的表面幾乎都會(huì)留下明顯的平行紋理。傳統(tǒng)的SLA技術(shù)雖然每一層的打印速度快于FDM，并且可以通過(guò)將模型切成更薄切片進(jìn)行打印的方法來(lái)使層面結(jié)構(gòu)變得相對(duì)不那么明顯，但是要做到無(wú)層面結(jié)構(gòu)幾乎是不可能的。即使在保證最基礎(chǔ)打印精度的情況下進(jìn)行打印，我們采用SLA技術(shù)的一個(gè)變種DLP（它采用投影儀作為光源，而不是像傳統(tǒng)SLA那樣使用紫外激光）技術(shù)打印一個(gè)15厘米高的埃菲爾鐵塔模型也需要大約2小時(shí)。然而，這種新型的CLIP技術(shù)卻打破了這種兩難局面，在保證精度的前提下極大地提高了打印速度。它為什么能產(chǎn)生如此革命性的改變？把打印面放大來(lái)仔細(xì)對(duì)比研究一下，就能發(fā)現(xiàn)其中的玄機(jī)：

 

傳統(tǒng)SLA技術(shù)（上圖）與改良的CLIP技術(shù)（下圖）對(duì)比

　　

傳統(tǒng)SLA技術(shù)的固化受光引發(fā)劑種類(lèi)、光引發(fā)劑濃度、光照強(qiáng)度和照射時(shí)間等條件的影響，一般引發(fā)劑濃度越高，光強(qiáng)度越高固化速度越快。光的強(qiáng)度會(huì)隨著射入物體的深度逐漸降低，只有靠近照射面的一小部分會(huì)固化的相對(duì)均勻和徹底，理論上打印的精度完全取決于具有足夠能量激活引發(fā)劑的光能夠穿透多深的樹(shù)脂。理論上講，只要提高引發(fā)劑濃度和光強(qiáng)就可以加快打印速度，但因?yàn)楣袒磻?yīng)發(fā)生在樹(shù)脂與透光板的交界面上，過(guò)快的反應(yīng)速度很容易使制件和透光板粘在一起，導(dǎo)致打印失敗。

　　

在此前，解決這一問(wèn)題的方法主要是降低固化速度，在樹(shù)脂完全固化之前移動(dòng)底板，使部分固化的樹(shù)脂與透光板脫離接觸，新的低粘度樹(shù)脂會(huì)補(bǔ)充到原來(lái)的位置，然后再開(kāi)始下一層的固化。但這樣一來(lái)，打印速度就無(wú)法有效提高了。

　　

而在新的CLIP系統(tǒng)中，研究者們通過(guò)固化-阻聚效應(yīng)的平衡巧妙地解決了這個(gè)問(wèn)題。CLIP底面的透光板采用了透氧、透紫外光的特氟龍材料（聚四氟乙烯），而透過(guò)的氧氣進(jìn)入到樹(shù)脂液體中可以起到阻聚劑的作用，阻止固化反應(yīng)的發(fā)生。氧氣和紫外光照的作用在這個(gè)區(qū)域內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一種相互制衡的效果：一方面，光照會(huì)活化固化劑，而另一方面，氧氣又會(huì)抑制反應(yīng)，使得靠近底面部分的固化速度變慢（也就是所謂的“dead zone”）。當(dāng)制件離開(kāi)這個(gè)區(qū)域后，脫離氧氣制約的材料可以迅速地發(fā)生反應(yīng)，將樹(shù)脂固化成型。在傳統(tǒng)的SLA技術(shù)中，抑制固化的氧氣本來(lái)是人們避之不及的存在，但是經(jīng)過(guò)巧妙設(shè)計(jì)之后，它反而成了提高打印效率的幫手，這也算是一種相當(dāng)戲劇性的逆轉(zhuǎn)。

　　

除了快，CLIP系統(tǒng)也提高了3D打印的精度，而這一點(diǎn)的關(guān)鍵還也在“死區(qū)”上。傳統(tǒng)的SLA技術(shù)在打印換層的時(shí)候需要拉動(dòng)尚未完全固化的樹(shù)脂層，為了不破壞樹(shù)脂層的結(jié)構(gòu)，每個(gè)單層切片都必須保證一定的厚度來(lái)維持強(qiáng)度。而CLIP的固化層下面接觸的是液態(tài)的“死區(qū)”，不需要擔(dān)心它與透光板粘連，因此自然也更不容易被破壞。于是，樹(shù)脂層就可以被切得更薄，更高精度的打印也就能夠?qū)崿F(xiàn)了。

　　

這樣的方法聽(tīng)起來(lái)很簡(jiǎn)單，不過(guò)為了讓它順利工作，研究人員們也進(jìn)行了相當(dāng)復(fù)雜的計(jì)算與調(diào)試。通過(guò)合適的打印條件和原料液配方控制，困擾3D打印技術(shù)已久的高速連續(xù)化打印問(wèn)題在CLIP技術(shù)中被完全克服，這是高分子學(xué)科工程史上一次融合應(yīng)用的創(chuàng)舉，登上《科學(xué)》封面確實(shí)當(dāng)之無(wú)愧。