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  無論是自然界或者人類身體本身充滿了橫跨多尺度的結(jié)構(gòu)(Multi-scale structures)，例如人體的肺器官由無數(shù)微觀的肺泡組成，植物葉表的超疏水結(jié)構(gòu)，工程中用于增強減重的超材料以及生物醫(yī)療領(lǐng)域的微流體器件。

  投影式光固化三維打印(Projection-based Vat Photopolymerization)在加工這種多尺度復(fù)雜零件方面擁有極大的潛力，然而該技術(shù)本身存在打印面積（print area）以及精度（resolution）之間的矛盾。隨著打印機面積的增大，單個像素尺寸（pixel size）也會隨之變大，降低了打印分辨率(圖1a)。一個顯而易見的解決辦法是步進重復(fù)（Step-and-repeat method） – 通過線性模組將投影系統(tǒng)移動到不同位置，停下后投影直到打印完整個平面 (圖1b)。在打印大尺寸零件時，該方法由于頻繁的小線段加減速運動，打印時間會急劇增加，而打印可靠性和硬件壽命會急劇下降。為了提高打印效率，人們又開發(fā)了連續(xù)移動光源光固化（Moving light method） – 投影系統(tǒng)在連續(xù)移動的同時投影圖片進行固化。該方法要求投影系統(tǒng)每移動一個像素需要刷新一張掩膜圖像，否則會因為運動模糊（motion blur）導(dǎo)致錯誤的固化 (圖1c)。為此投影儀需要極高的刷新率(例如10 kHz)，市面上多數(shù)的投影儀都無法達到該性能要求而不得不降低打印速度或者開發(fā)專用高刷新率的投影系統(tǒng)。

  為解決打印面積限制以及打印速度問題，南加州大學(xué)的Yong Chen教授和其團隊成員Yang Xu博士后（共同一作）與普渡大學(xué)助理教授Huachao Mao（共同一作）, 及芬蘭阿爾托大學(xué)Jouni Partanen教授研發(fā)出一種躍進光固化3D打印工藝（Hopping Light Vat Photopolymerization，HL-VPP），該工藝能夠僅用10 Hz的刷新率的高精度（10 μm/pixel） 投影系統(tǒng)高效地打印出含有微觀結(jié)構(gòu)的大尺寸（200mm）零件，并有潛力進一步提升打印速度 (圖1d-f)。相關(guān)研究工作以“Hopping Light Vat Photopolymerization for Multiscale Fabrication”為題發(fā)表在期刊《Small》上。其他參與者有南加州大學(xué)碩士生Cenyi Liu, Zhengyu Du, Weijia Yan和Zhuoyuan Yang。

圖 4. Hopping Light打印測試: a-d 含有微觀結(jié)構(gòu)與宏觀結(jié)構(gòu)的大面積零件； e-g 含有微針結(jié)構(gòu)的大面積表面；h-n 含有仿生超疏水結(jié)構(gòu)的大面積表面。 

  論文信息與鏈接：

  Xu Y, Mao H, Liu C, Du Z, Yan W, Yang Z, Partanen J, Chen Y. Hopping Light Vat Photopolymerization for Multiscale Fabrication. Small. 2022 Dec 21:2205784.

  https://doi.org/10.1002/smll.202205784