劳伦斯·利弗摩尔实验室的研究人员和学术合作者们通过将激光产生的3D全息图迅速重现到光敏树脂中，他们发现可以在相对短时间内打印出结构复杂的3D零件与传统逐层印刷相比的话。利用这个过程，研究人员可以在几秒钟内打印出梁，平面，任意角度的支柱，晶格以及复杂而且形状独特的弯曲物体。来源：LLNL

 

　　3D打印的增材制造（AM）技术能让工程师和科学家能够以前所未有的方式构造和设计各种零件的，但这项技术发挥的作用受逐层打印的打印方法的限制，根据构件复杂性的不同逐层打印可能需要长达数小时或几天时间来完成打印。

 

　　然而，劳伦斯·利弗莫尔实验室（LLNL）的研究人员与加州大学伯克利分校、罗切斯特大学和麻省理工学院（MIT）的合作者们已经发现，通过将激光产生的3D全息图快速重现到光敏树脂中，与传统逐层印刷相比的话，他们可以在相对短时间内打印出结构复杂的3D零件。而这种新颖的方法被称为“立体式”3D打印，并在12月8日在线出版的期刊Science Advances中进行了描述。

 

　　该论文的作者，LLNL研究人员Maxim Shusteff表示：“事实上，3D零件的打印可以一步完成，这也确实能够克服增材制造中的一个重要难题。我们正尝试如何在同一时间内打印完整的3D形状。这篇论文的真正目的是要启发我们是否可以一次性打印完成完整的3D形状，而不是一层一层地逐渐堆在一起放在一起。而事实证明我们可以做到。”

 

　　Shusteff还解释说，这种打印方法就是通过重叠交叉的三个激光束从三个不同的方向确定物体的几何形状，构建出一个悬浮在树脂桶中的3D影像。光束交叉的地方激光束会有较高的强度，保持约10秒钟的时间就能固化产生的部件。把多余的树脂从缸中排出，研究人员就能留下一个完整的3D打印构件，整个过程看起来像变魔术一样。

 

　　科学家们总结说，利用这种方法零件的完成速度比其他基于聚合物的方法快许多倍，就算不是全部，也能适用于大多数现在的增材制造方法的商业使用。鉴于“立体式”3D打印成本低、灵活性高、速度快和几何通用性好，研究人员期望这个概念能为3D快速打印开辟出一个重要的新方向。

 

　　立体式3D打印通过重叠交叉三个激光束来创建零件，这三束激光束从三个不同的方向来确定物体的几何形状，从而构建悬浮在树脂桶中的3D全息影像。光束交叉的地方激光束会有较高的强度，保持约10秒钟的时间就能固化产生所需的部件。

 

　　利弗莫尔实验室的3D打印工作负责人LLNL工程师Chris Spadaccini说：“新的3D打印方法展示了下一代增材制造技术未来可能的发展方向。大多数3D打印和增材制造技术都是由一维或二维单元操作组成。新方法将3D打印提升到一个完全自主的3D操作，这是以前没有做过的。这可能对生产力产生巨大的潜在影响，如果你想做得好，或者你想做得更好，你仍然可以继续提高这种方法的复杂性。”

 

　　利用这个方法，Shusteff和他的团队印制了横梁，平面，任意角度的支柱，晶格以及复杂而且形状独特的弯曲物体。Shusteff说，传统的3D打印在生产跨越结构时可能没有支撑而产生下垂问题，但是立体式打印就没有这样的限制;许多曲面可以在不分层工件的情况进行下生产。

 

　　Shusteff说：“这可能是做不需分层打印AM的唯一方法。如果你能不使用分层，就有机会摆脱掉棱边和方向属性缺点。从而零件内的所有部分是同时形成的，所以没有表面问题。”

 

　　他还补充说：“我希望这将会激励更多其他研究人员寻找新的方法来处理各种材料。这将会成为一个范例型的转变。”

 

　　Shusteff认为，如果使用更高功率的光源可以使立体式印刷更快。他曾说道，超柔软的材料，也有可能会被完整地制造出来，否则就会被流体运动损坏或破坏，如水凝胶。他还说，立体式3D打印也是唯一一种在零重力下效果更好的增材制造技术，这就扩大了生产空间的可能性。

 

　　研究人员说，这项技术确实有局限性。每个光束在空间中都是沿直线传播的，路径不会改变，所以会限制部件的分辨率和可形成的几何形状。他们解释说，极其复杂的结构将需要大量相交的激光束来完成构造，也会限制这一过程。

 

　　Spadaccini补充说，还需要更多的聚合物化学和工程技术来改善树脂性能，并对其进行微调，使树脂具有更好的结构。如果光束照射的时间过长，整桶树脂都会发生固化，所以还需要一个精确的计时系统。很多科学和工程学方面的研究都在致力于搞清楚光敏树脂能够在光照下保持不定性多久，在什么程度上，以及他们是如何进行化学反应的。”

 

　　这项工作获得了实验室指导研究与开发（LDRD）计划资金。其他LLNL研究人员为该项目做出贡献的还有Todd Weisgraber和Robert Panas，劳伦斯研究生学者和罗彻斯特大学博士。学生Allison Browar，加州大学伯克利分校研究生Brett Kelly和Johannes Henriksson，以及麻省理工学院的Nicholas Fang。

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