德国科学家研发激光分光3D打印系统 创造新世界纪录
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在此前的文章中，我们曾经提到3D打印可以分为宏观尺度和微观尺度的概念。在宏观层面，那些毫米级以及更大尺寸的3D打印物体已经获得各行各业的应用；而在微观层面，建立在纳米级和微米级尺度上的3D打印对象似乎离我们很远很远。然而实际上，宏观尺度的3D打印需要建立在微观尺度上，才能实现更高速度的精确打印，Carbon 3D的CLIP技术是如此，惠普的MJF技术也是如此。
2020年1月，德国最顶尖的理工科大学之一—卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）的研究人员发表文章，宣布已经开发出一种新系统，能够将一束激光分成九束，从而可以以前所未有的速度打印具有亚微米级细节的高精度、厘米大小的物体。
▌单个体素大小与体素打印速率的乘积等于3D打印的速率
体素是体积元素（Volume Pixel）的简称，是数字数据基于三维空间分割的最小单位，无数的体素最终组成了大型且复杂的三维结构。从微观结构考虑3D打印的速度，就涉及到两个重要的因子，即体素的3D打印速度和最小可访问的体素尺寸。
理论上，单个体素的大小与体素打印速率的乘积等于3D打印的速率。假设在3D打印速度恒定的情况下，体素的尺寸减小十倍，则体素的体积会减小1000倍，那么体素的打印速率就需要提高1000倍。
不同3D打印工艺与体素大小、峰值打印速率之间的关系
到目前为止，通常一个激光点每秒可以产生数十万个体素，如SLS技术每秒可以打印约105个 体素，这意味着它比二维喷墨打印机慢了近一百倍，这阻碍了迄今为止的许多应用。FDM的打印速度更慢，每秒的打印速度仅为几百个体素；改进后的CLIP技术，在体素大小为300 µm的情况下，打印速度也可以达到105个体素；轴向光刻技术（CAL）可打印体素大小在100 µm至1 mm的范围内，打印速度为103-104个体素。
▌激光分光3D打印系统，实现快速多焦点打印
卡尔斯鲁厄理工学院研究人员与澳大利亚昆士兰科技大学的同事合作，使用迭代傅里叶变换算法和特殊的光学器件设计了一种将一束激光分成9个子光束的新系统，通过改进的电子控制，所有“子光束”可独立且同时移动，每个子光束聚焦在光敏材料的不同区域上，可以每秒大约1000万（107）个体素的速度使材料成型，这与2D喷墨打印机所达到的速度相对应。
激光分光方案
为了证明其速度和设计的可靠性，研究人员打印了一个60立方毫米的晶格结构，细节尺度达微米级，包含超过3000亿个体素，已经远远超过了3D打印所创造的记录。
包含超过3000亿个体素的超材料结构
所打印结构的扫描电镜图片，显示出3×3焦点阵列内不同焦点之间的缝合以及不同相邻区域之间的缝合
对于这种类型的3D打印，激光束以计算机控制的方式通过液体光刻胶，仅位于激光焦点上的材料才固化。这不仅依靠光学设计和计算机控制，还有赖于化学方面的进展。在此项研究中，最关键的因素为分光元件（DOE）的制造，它的任何缺陷都会破坏单个子束之间的功率分布和均匀性。
激光分光元件可将一个入射激光束分成3×3 = 9个子束：c为元件实际大小；a、b为扫描电镜下的显微结构
将来，多焦点多光子吸收方法可能会扩展到具有更多焦点的激光阵列，从而获得更大的峰值3D打印速率。该研究第一作者文森特·哈恩介绍，多激光焦点与喷墨打印机的喷嘴类似，唯一的区别是它们在三维上起作用。采用该方案能够生产更高精度的微细结构，可用于光学和光子学、材料科学、生物工程和安全工程。
注：关于本研究的详细内容，已上传QQ群。
原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：德国科学家研发激光分光3D打印系统 创造新世界纪录
