说到3D打印 ， 你首先想到什么缺点？
速度慢、精度低、打印出来的物体看起来十分脆弱 。
现在 ， 这些缺点在最新的3D打印技术面前都不是问题 。
来自德国的一组团队 ， 现在能在几秒内完成一次3D打印 ， 比之前最快的技术也要快上十倍 ， 加工精度还很高 ， 达到25微米（仅不到头发丝直径一半） 。
只需要几秒时间 ， 就能打印出一个立体图案：
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打印出柏林地标建筑勃兰登堡门也只需68秒 。
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甚至还能将轮子、轮轴一起打印出来 ， 无需后期组装即可运转 。
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你也不必担心打印出来的物体太脆弱 ， 即使它遭到锤子重击也不会轻易散架 。
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快、准、稳是这种3D打印技术的最大特点 。
现在 ， 这项研究成果发表在了最新一期的Nature上 。
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在电影《星际迷航》中 ， 有一种叫做“复制器”的设备 。 可以在几秒钟内复制出另一个物体 。
现在由于材料科学的进步 ， 这些科幻小说的装置可能比我们想象的更接近现实 。
传统3D打印的缺点
为何传统3D打印慢？主要是因为只能打印完一层再打另一层 。
常见的3D打印机用喷头喷出树脂 ， 继而一层层堆叠起来 。 一般打印一个物体可能需要几小时甚至几天 。
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用这种方法打印的材料 ， 其精度受到喷头大小的影响 。
喷头大了 ， 打印精度低；喷头小了 ， 虽然能提高精度 ， 打印速度也慢下来了 。
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而且这种“千层蛋糕”的打印方式导致层与层之间结合不太紧密 。 从外观上看“层次感”就非常明显 。 受到外力后 ， 层之间更是容易松脱 。
之后 ， 一家名为Carbon的3D打印创业公司开发了一种全新的技术 ， 大大提高了速度 。
他们2015年发表在Science上的论文首次展示了这种技术 ， 称之为连续液面生成（CLIP） ， 能比传统的3D打印技术快上100倍 。
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CLIP之所以快 ， 是因为它一次能打印完一层 。
这项技术就像拍照 ， 用紫外光照射树脂液体表面 ， 让其固化 。 等这一层固化完后 ， 拉出液面 ， 再拍下一个截面 ， 直到打印完整个物体 。
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速度问题是解决了 ， 但还有一个问题：打印材料必须是一体的 。
比如文章开头展示的轴承 ， 轮和轴是分开的 ， CLIP技术也无能为例 ， 像下面那种“笼中小球” ， 之前的3D打印技术也难以应付 。
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而且CLIP的打印速度虽然提升很多 ， 对于批量生产来说仍然不够 。 比如打印一片鞋底仍需要几十分钟 。
在光片上 ， 用另一束光雕刻
于是 ， 科学家们想出了一种新办法：用激光在液体上“雕刻”出想要的物体 。
这种液体 ， 在光照条件下能够发生化学反应 ， 从而生成固体物 。
但如果只用一束光让液体变成固体 ， 并不能很好地打印出想要的形状 ， 而是会形成一根根直线：
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那么 ， 利用两束光的交点呢？
如果一种液体在经过两种光照反应后 ， 才能生成固体 ， 那么就能利用交点 ， 在液体中“雕刻”出想要的固体形状 。
也就是说 ， 需要找到一种液体化合物 ， 在二次光照反应后能生成固体物 。
现在 ， 这种液体化合物（双色光引发剂 ， DCPI）已经被找到了 ， 它的初始化学式长这样：
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在与375nm的紫外线光进行反应后 ， 它变成了这种化合物（花菁态）：
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现在 ， 这种花菁态化合物能够跟波长位于450~700nm之间的可见光反应 ， 生成固体聚合物 。
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这种方法 ， 被称之为Xolography ， 其中X即“交叉” ， Holography即“全息照相术” ， 意为利用交叉的光线 ， 在液体中“照”出一个固体来 。
除了反应速度快 ， Xolography的优点在于 ， 与紫外线光反应生成的花菁态化合物 ， 还可以被回收并重复利用 。
中间生成的花菁态化合物并不稳定 ， 如果一直没有被第二束可见光击中 ， 它就会在室温下以t1/2=6s的热半衰期 ， 恢复成原来的化合物 ， 如下图中△T 。
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然而 ， 直接用两束光交叉的方法 ， 存在一个缺陷 。
下图是DCPI的初始化合物、与反应后的花菁态化合物 ， 和两种波长的光反应的吸光率 。 其中 ， 黑色的曲线是初始化合物 ， 蓝色的曲线是花菁态化合物：
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从图中可以看出 ， 花菁态化合物 ， 不仅能与可见光反应生成固体聚合物 ， 也能吸收可见光波长之外的光（包括紫外线光） ， 产生光引发反应 。
因此 ， 要保证这种花菁态化合物 ， 只能在紫外线光中暴露一次 。
为了实现这一目标 ， 研究人员开发了一种叫做“光片法”的方法 ， 将375nm二极管激光器的高斯光束转换成发散激光光束 ， 准直并聚焦到打印体积的中心 ， 形成一整个紫外光片 。
由于光的衍射 ， 生成的第一种化合物会在液体中呈现“中间窄、两边宽”的情况（如图中蓝色部分）：
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这时 ， 再从正面将可见光垂直照入 ， 形成固体聚合物 。
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而中间最窄部分的宽度 ， 就决定了这种3D打印技术的分辨率 。
采用这种“在光片上 ， 用另一束光雕刻”的方法 ， 沿光片的激发不均匀性可以保持在13%以下 ， 非常稳定 。
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目前 ， 研究人员还在优化这种化合物 ， 以提高它的快速聚合能力 ， 同时保证最大的光学透明性和高粘度 。
这项神奇的3D打印技术 ， 由勃兰登堡应用科学大学的物理学家Martin Regehly等多位德国科学家造出 。
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Martin Regehly
事实上 ， 此前也有人尝试过用两束光交叉的方法 ， 来进行3D打印 ， 然而却无法达到这种方法的精度 。
这一技术的系统程序由Python编写 ， 在树莓派4上运行 ， 用来控制激光器、线性轴和投影仪 ， 打印的速度和精度都挺不错 ， 批量打印也没有问题 。
未来或用于生产跑鞋
当然 ， Xolography现在仍有一定的局限性 。
首先 ， 光在树脂中的穿透距离有限 ， 因此打印物体的体积受到限制 。
由于该方法需要移动树脂 ， 如果打印方向上移动距离较长 ， 打印时间也会成比例地增加 。
但是它超快的打印速度颇具实用化前景 。 研究人员已经想到 ， 用它来加工定制的运动鞋鞋底 。
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阿迪达斯可能也是这么想的 。
早在2017年 ， 阿迪达斯就已经尝试使用3D打印来加工鞋底 ， 当时他们利用Carbon3D的技术来打印Futurecraft 4D这款跑鞋鞋底 。
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像这种复杂结构的镂空鞋底 ， 传统技术无法制造 ， 只能由3D打印来完成 。
所以阿迪达斯找到Carbon公司来制造 ， 不过加工一片鞋底的过程大约需要90分钟 ， 导致阿迪达斯在2017年大约只生产了5000双这种跑鞋 。
如果将来能把Xolography用在3D打印跑鞋上 ， 那么大批量生产不再是梦想 。
【量子位|1分钟、2束光，3D打印出一座“柏林地标”，精度高于发丝】也许你以后就能用更低的价格把最新科技穿在脚上了 。
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