科学家开发出一种新型3D打印方法 �...

来源：滚动播报

（来源：中国航空报）

　　近日，研究人员展示了一种非同寻常的新型3D打印技术，能够在短短几秒内直接在现有物体上甚至周围构建全新的结构。在一系列实验中，该技术在嵌入式玻璃球周围打印出微型流体通道，在抛光钢棒上制造出精密齿轮，甚至在工作LED的表面上直接构建出微型透镜。

　　这项突破性成果发表在《自然通讯》杂志上，它依赖于一种先进的断层扫描体积增材制造（TVAM）技术，该技术允许研究人员将新结构“叠加”到由多种材料制成的部件上，包括金属、玻璃和预组装的微流体组件。与传统3D打印机逐层构建物体不同，该系统将精确计算的光图案投射到旋转的光敏树脂槽中，使整个三维物体在几秒钟内几乎同时固化。

　　这项进展可能标志着体积式3D打印技术在实际制造环境中的实用化迈出了重要一步，因为在实际制造环境中，新组件通常需要与现有部件集成。

　　此外，它还凸显了计算技术的日益精进，这些技术能够精确模拟光线穿过吸收、散射、折射或反射光线的材料时的行为。

　　研究人员表示，断层扫描体积增材制造（TVAM）是一种基于光的3D打印技术，能够在几秒钟内制造出厘米级物体。这项工作展示了多种叠加打印场景，其中新的结构可以直接打印到预先存在的、由不同材料制成的组件上或周围。

　　与传统的立体光刻或熔融沉积成型打印机从单一方向逐步构建物体不同，断层扫描体积打印将数百个二维光图案投射到装满液态树脂的旋转容器中。

　　随着树脂积累足够的光能，所需的三维结构几乎同时出现在整个体积中，而不是逐层出现。这种方法可以在短短几秒钟内制造出厘米级物体。

　　然而，迄今为止，这项技术面临的最大挑战之一是如何精确计算光线在复杂环境中的传播方式。

　　树脂内部的物体会阻挡、散射或弯曲入射光，从而降低打印质量。传统模型通常假设这些物体要么完全透明，要么完全不透明。这种过于简化的假设在实际制造场景中并不适用。

　　为了克服这些局限性，研究团队开发了一种名为Dr.TVAM的升级版计算框架。该软件基于物理光线追踪技术，能够模拟光线在不同光学特性材料中的传播方式，同时优化创建所需物体的投影光模式。

　　由于该框架考虑了反射、折射、散射、吸收以及任意容器形状，因此能够成功地在以往会干扰打印过程的组件周围打印结构。

　　该研究最引人注目的成果之一是在密封的预组装方形腔室内直接制造微流控通道。微流控器件包含用于输送微量液体的微型通道，广泛应用于生物医学研究、诊断和芯片器官系统。

　　研究人员没有像传统方法那样先单独制造通道再组装器件（这种方法容易引入污染或泄漏），而是成功地在已组装的腔室内直接打印出可灌注的通道，同时还考虑到了入口和出口结构，避免了光线的阻挡。

　　他们展示了能够输送流体的直通道、分支网络和螺旋结构。补充演示表明，彩色染料能够成功地流经这些成品结构。

　　随后，研究人员进一步拓展了这一概念，创造了他们称之为“情境感知打印”的技术。在该实验中，他们将两个微小的玻璃球嵌入一个充满水凝胶的腔室中，利用两张相机图像快速确定每个球的三维位置，并在不到一分钟的时间内生成了定制的打印图案。

　　这些优化后的投影形成中空通道，将每个球体连接到进出口，同时在球体周围打印出保护性空腔。从检测嵌入物体到生成打印指令，再到最终结构的制造，整个流程耗时不到三分钟。

　　这项技术最终有望实现高度定制化的生物医学制造，届时打印机将能够自动适应活体组织、类器官或其他生物材料的精确位置，而无须事先进行精确定位。

　　另一项实验凸显了精确模拟光线的重要性。以往的体积叠加打印演示将金属部件视为完全吸收入射光。但实际上，抛光金属会反射和散射大量光线，造成变形，从而降低打印质量。

　　研究人员通过将齿轮直接打印到抛光钢棒上来检验这两种假设。当软件忽略散射光时，齿轮上的细小孔洞过度聚合，导致轮廓模糊。

　　然而，在将真实的散射行为纳入光学模型后，最终得到的齿轮能够更精确地保留这些精细特征，显著提高模拟打印的保真度。实验证实了这一改进。研究人员甚至进一步证明，该工艺可以直接在电子元件上进行打印。

　　研究人员利用基于LED的体积打印系统，在红色LED表面直接制作了一个微型透镜和一个小型十字形符号。当LED被点亮时，打印的透镜会将符号投射到屏幕上，成功地将LED变成了一个微型光学投影仪，而无需额外的组装。该实验展示了如何在制造过程中将光学元件直接集成到现有的电子硬件上。

　　除了具体的演示之外，这项工作还凸显了增材制造领域的一个重要趋势：日益精密的软件正变得与硬件的进步同等重要。

　　新的框架不再依赖于简化的数学近似，而是进行基于物理的光学模拟，能够对任意几何形状及其材料属性进行建模。

　　该软件已开源，同时发布的还有配置文件和实验数据，这使得其他研究人员能够复现并扩展这项3D打印工作。

　　尽管目前的演示仍处于实验室规模，但其潜在应用远不止于实验性3D打印。生物医学研究人员最终可以制造出无需多步骤组装的无菌微流控系统。光学工程师可以将透镜直接集成到光源上。制造商无需重新设计整个生产流程即可为成品组件添加定制功能。

　　研究人员还指出，未来的改进可以通过纳入更多物理效应来进一步提高模拟的真实性，例如，聚合过程中折射率的变化以及打印过程中化学抑制剂的扩散。这些改进可以提高技术的精度，并使其能够应用于更加复杂的制造场景。

　　研究人员在相关研究中写道：“我们的计算框架Dr.TVAM已证明能够模拟TVAM的不同光学情况。我们相信这将显著扩展TVAM的应用范围，使其能够应用于机械、光学或生物制造等领域，从而创建复杂、功能化和多组件的器件。” （逸文）