這些神奇的動圖都出自最近發表在《科學》（Science）上的一篇有關3D打印技術的研究論文。這種新技術顯然也征服了期刊的編輯，在期刊封麵上都出現了這個從液體中打印出來的“倒立鐵塔”的身影。那麼，這種液體3D打印技術究竟有什麼過人之處？球和塔又是怎麼從液體裏“拉”出來的呢？

 

《科學》封麵上的3D打印

　　

　　

baxiangduirongyiliudongdeyeticailiaobianchengguti，zhezhongsiluqishibingbuxinxian

，liuhuaxiangjiaojiushizhezhongcailiaojiagongfangshidedianxinglizi。name，guhuadeguochengshiruhefashengdene？xiamian，jiurangwomenlaikantushuohua：

 

 

在圖中，小a、小b、小c等等是一群活潑的聚合物分子，因為這些鏈狀的分子之間很容易相互移動，所以看上去是一灘黏黏的液體（有時候可能粘度很大
，比如硫化前的天然橡膠，它從樹上滴下來的速度非常緩慢）。有(you)一(yi)天(tian)惡(e)魔(mo)把(ba)一(yi)把(ba)單(dan)純(chun)善(shan)良(liang)的(de)固(gu)化(hua)劑(ji)混(hun)進(jin)了(le)小(xiao)兄(xiong)弟(di)裏(li)麵(mian)，小(xiao)兄(xiong)弟(di)活(huo)潑(po)依(yi)舊(jiu)，絲(si)毫(hao)沒(mei)有(you)發(fa)現(xian)危(wei)險(xian)的(de)存(cun)在(zai)。突(tu)然(ran)有(you)一(yi)天(tian)惡(e)魔(mo)把(ba)這(zhe)灘(tan)小(xiao)兄(xiong)弟(di)連(lian)固(gu)化(hua)劑(ji)一(yi)起(qi)放(fang)進(jin)了(le)高(gao)溫(wen)高(gao)壓(ya)的(de)一(yi)個(ge)東(dong)西(xi)裏(li)麵(mian)（一般稱為硫化機/熱壓機），然ran後hou看kan似si無wu害hai的de固gu化hua劑ji長chang出chu了le魔mo爪zhao
，死si死si抓zhua住zhu了le小xiao兄xiong弟di們men，一yi個ge又you一yi個ge的de魔mo爪zhao分fen別bie抓zhua住zhu不bu同tong的de兄xiong弟di們men
，產chan生sheng了le很hen多duo交jiao聯lian結jie構gou

，即ji使shi沒mei有you了le高gao溫wen高gao壓ya也ye不bu會hui再zai放fang開kai。最zui後hou小xiao兄xiong弟di們men再zai也ye不bu能neng隨sui便bian活huo動dong了le，這zhe灘tan液ye體ti也ye變bian成cheng了le硬ying硬ying的de一yi塊kuai——這就是固化過程的通（dou）俗（bi）解釋。當然也有些固化劑的固化原理是引發小分子聚合物上的基團相互反應的

，這種一般被稱為引發劑。

　　

　　

在從液體裏“拉”出固體的3D打印技術當中，活化固化劑的方式從熱壓變成了光，所以這種技術被稱為立體光固化成型（SLA）。這(zhe)裏(li)所(suo)用(yong)到(dao)的(de)液(ye)體(ti)材(cai)料(liao)被(bei)稱(cheng)為(wei)光(guang)敏(min)樹(shu)脂(zhi)，一(yi)般(ban)是(shi)環(huan)氧(yang)樹(shu)脂(zhi)或(huo)不(bu)飽(bao)和(he)聚(ju)酯(zhi)等(deng)摻(chan)雜(za)一(yi)些(xie)對(dui)特(te)定(ding)波(bo)長(chang)敏(min)感(gan)的(de)光(guang)引(yin)發(fa)劑(ji)製(zhi)成(cheng)的(de)。這(zhe)類(lei)技(ji)術(shu)本(ben)身(shen)也(ye)並(bing)不(bu)是(shi)什(shen)麼(me)新(xin)生(sheng)事(shi)物(wu)了(le)，它(ta)的(de)曆(li)史(shi)可(ke)以(yi)追(zhui)溯(su)到(dao)1984年。

　　

簡jian單dan來lai說shuo，立li體ti光guang固gu化hua的de過guo程cheng就jiu是shi光guang照zhao射she光guang敏min樹shu脂zhi表biao麵mian，使shi其qi固gu化hua成cheng薄bo薄bo的de一yi層ceng固gu體ti

，已yi經jing固gu化hua完wan成cheng的de部bu分fen被bei一yi塊kuai基ji板ban黏nian附fu著zhe，逐zhu漸jian與yu光guang照zhao射she麵mian拉la開kai一yi定ding距ju離li（通常是每次移動十幾個微米），ranhouzaishangyicengguhuashuzhidejichushangzaijinxingxiayicengdezhaosheheguhua。jingguocengcengguhuadiejiazhihou
，zuizhongjiuxingchengyigewanzhengdelitijiegou。xiamianzhezhangtubiaoshidejiushiSLA設備的基本結構
，固化反應發生在打印樹脂與透光玻璃板的交界麵上
，由於光照射麵在液麵的下方，打印的過程看上去就像從液體裏“拉”出了打印製件一樣。

 

 

　　

而這次的論文展示的是一種名叫連續液態界麵製造（CLIP）的改良技術，從本質上講，它也是立體光固化技術的一種。但作為登上《科學》封麵的新技術
，它絕不僅僅是這麼簡單。CLIP技術不僅可以穩定地提高3D打印速度，同時還可以大幅提高打印精度。這種新型的CLIP技術製作一個普通模型所需要的時間隻有短短幾分鍾，與傳統方法相比快了幾十倍。而且，它還可以相對輕鬆地得到無層麵（layerless）的打印製品（參見下圖）。與傳統光固化技術相比，CLIP帶來的這種改變可以堪稱是革命性的。

 

打印製品的顯微結構

　　

所有的3D打印過程都需要麵對打印精度與打印速度的權衡問題。比如平時最常見的熔絲沉積（FDM）的de打da印yin方fang式shi，這zhe種zhong方fang式shi需xu要yao將jiang加jia熱re熔rong化hua的de材cai料liao像xiang擠ji奶nai油you一yi樣yang地di擠ji出chu來lai
，並bing逐zhu層ceng堆dui積ji形xing成cheng需xu要yao的de形xing狀zhuang。擠ji出chu的de熔rong化hua材cai料liao的de粗cu細xi會hui直zhi接jie影ying響xiang製zhi品pin的de精jing度du和he打da印yin速su度du，在zai實shi際ji操cao作zuo中zhong，打da印yin精jing度du往wang往wang讓rang步bu於yu打da印yin速su度du。為wei了le在zai人ren們men能neng夠gou接jie受shou的de時shi間jian內nei得de到dao製zhi品pin，FDM製品的表麵幾乎都會留下明顯的平行紋理。傳統的SLA技術雖然每一層的打印速度快於FDM，並bing且qie可ke以yi通tong過guo將jiang模mo型xing切qie成cheng更geng薄bo切qie片pian進jin行xing打da印yin的de方fang法fa來lai使shi層ceng麵mian結jie構gou變bian得de相xiang對dui不bu那na麼me明ming顯xian
，但dan是shi要yao做zuo到dao無wu層ceng麵mian結jie構gou幾ji乎hu是shi不bu可ke能neng的de。即ji使shi在zai保bao證zheng最zui基ji礎chu打da印yin精jing度du的de情qing況kuang下xia進jin行xing打da印yin，我wo們men采cai用yongSLA技術的一個變種DLP（它采用投影儀作為光源，而不是像傳統SLA那樣使用紫外激光）技術打印一個15厘米高的埃菲爾鐵塔模型也需要大約2小時。然而，這種新型的CLIPjishuquedapolezhezhongliangnanjumian，zaibaozhengjingdudeqiantixiajidaditigaoledayinsudu。taweishenmenengchanshengrucigemingxingdegaibian
？badayinmianfangdalaizaixiduibiyanjiuyixia
，jiunengfaxianqizhongdexuanji：

 

傳統SLA技術（上圖）與改良的CLIP技術（下圖）對比

　　

傳統SLA技術的固化受光引發劑種類、光引發劑濃度
、光(guang)照(zhao)強(qiang)度(du)和(he)照(zhao)射(she)時(shi)間(jian)等(deng)條(tiao)件(jian)的(de)影(ying)響(xiang)
，一(yi)般(ban)引(yin)發(fa)劑(ji)濃(nong)度(du)越(yue)高(gao)
，光(guang)強(qiang)度(du)越(yue)高(gao)固(gu)化(hua)速(su)度(du)越(yue)快(kuai)。光(guang)的(de)強(qiang)度(du)會(hui)隨(sui)著(zhe)射(she)入(ru)物(wu)體(ti)的(de)深(shen)度(du)逐(zhu)漸(jian)降(jiang)低(di)，隻(zhi)有(you)靠(kao)近(jin)照(zhao)射(she)麵(mian)的(de)一(yi)小(xiao)部(bu)分(fen)會(hui)固(gu)化(hua)的(de)相(xiang)對(dui)均(jun)勻(yun)和(he)徹(che)底(di)，理(li)論(lun)上(shang)打(da)印(yin)的(de)精(jing)度(du)完(wan)全(quan)取(qu)決(jue)於(yu)具(ju)有(you)足(zu)夠(gou)能(neng)量(liang)激(ji)活(huo)引(yin)發(fa)劑(ji)的(de)光(guang)能(neng)夠(gou)穿(chuan)透(tou)多(duo)深(shen)的(de)樹(shu)脂(zhi)。理(li)論(lun)上(shang)講(jiang)，隻(zhi)要(yao)提(ti)高(gao)引(yin)發(fa)劑(ji)濃(nong)度(du)和(he)光(guang)強(qiang)就(jiu)可(ke)以(yi)加(jia)快(kuai)打(da)印(yin)速(su)度(du)，但(dan)因(yin)為(wei)固(gu)化(hua)反(fan)應(ying)發(fa)生(sheng)在(zai)樹(shu)脂(zhi)與(yu)透(tou)光(guang)板(ban)的(de)交(jiao)界(jie)麵(mian)上(shang)，過(guo)快(kuai)的(de)反(fan)應(ying)速(su)度(du)很(hen)容(rong)易(yi)使(shi)製(zhi)件(jian)和(he)透(tou)光(guang)板(ban)粘(zhan)在(zai)一(yi)起(qi)，導(dao)致(zhi)打(da)印(yin)失(shi)敗(bai)。

　　

zaiciqian，jiejuezheyiwentidefangfazhuyaoshijiangdiguhuasudu，zaishuzhiwanquanguhuazhiqianyidongdiban，shibufenguhuadeshuzhiyutouguangbantuolijiechu，xindedizhandushuzhihuibuchongdaoyuanlaideweizhi，ranhouzaikaishixiayicengdeguhua。danzheyangyilai，dayinsudujiuwufayouxiaotigaole。

　　

而在新的CLIP係統中

，研究者們通過固化-阻聚效應的平衡巧妙地解決了這個問題。CLIP底麵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er透tou過guo的de氧yang氣qi進jin入ru到dao樹shu脂zhi液ye體ti中zhong可ke以yi起qi到dao阻zu聚ju劑ji的de作zuo用yong

，阻zu止zhi固gu化hua反fan應ying的de發fa生sheng。氧yang氣qi和he紫zi外wai光guang照zhao的de作zuo用yong在zai這zhe個ge區qu域yu內nei會hui產chan生sheng一yi種zhong相xiang互hu製zhi衡heng的de效xiao果guo：一方麵，光照會活化固化劑，而另一方麵

，氧氣又會抑製反應，使得靠近底麵部分的固化速度變慢（也就是所謂的“dead zone”）。當製件離開這個區域後，脫離氧氣製約的材料可以迅速地發生反應，將樹脂固化成型。在傳統的SLAjishuzhong，yizhiguhuadeyangqibenlaishirenmenbizhibujidecunzai
，danshijingguoqiaomiaoshejizhihou

，tafanerchengletigaodayinxiaolvdebangshou，zheyesuanshiyizhongxiangdangxijuxingdenizhuan。

　　

除了快
，CLIP係統也提高了3D打印的精度，而這一點的關鍵還也在“死區”上。傳統的SLA技ji術shu在zai打da印yin換huan層ceng的de時shi候hou需xu要yao拉la動dong尚shang未wei完wan全quan固gu化hua的de樹shu脂zhi層ceng
，為wei了le不bu破po壞huai樹shu脂zhi層ceng的de結jie構gou
，每mei個ge單dan層ceng切qie片pian都dou必bi須xu保bao證zheng一yi定ding的de厚hou度du來lai維wei持chi強qiang度du。而erCLIP的固化層下麵接觸的是液態的“死區”，不需要擔心它與透光板粘連，因此自然也更不容易被破壞。於是，樹脂層就可以被切得更薄
，更高精度的打印也就能夠實現了。

　　

這zhe樣yang的de方fang法fa聽ting起qi來lai很hen簡jian單dan
，不bu過guo為wei了le讓rang它ta順shun利li工gong作zuo，研yan究jiu人ren員yuan們men也ye進jin行xing了le相xiang當dang複fu雜za的de計ji算suan與yu調tiao試shi。通tong過guo合he適shi的de打da印yin條tiao件jian和he原yuan料liao液ye配pei方fang控kong製zhi，困kun擾rao3D打印技術已久的高速連續化打印問題在CLIP技術中被完全克服，這是高分子學科工程史上一次融合應用的創舉，登上《科學》封麵確實當之無愧。