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近些年来，3D打印技术已经应用于工业制造、科学研究、医学等多个领域，使得各行各业的人们可以便捷地打印出立体物体。不过，虽然3D打印的产物是三维的，但目前的3D打印本身其实属于二维的平面过程。
3D打印的基本工作原理是：首先，一层平整的树脂在激光的照射之下，硬化形成塑料。随后，这个过程多次反复、树脂逐层堆积，最终由下至上打印出完整的三维物体。不过，如果目标产物的一部分是悬垂状态，例如要打印一座桥或是机翼，那么打印过程就需要水平方向的外在支撑结构，以避免树脂倒塌。
现在，在一项发表于《自然》杂志的最新研究中，来自哈佛大学和MIT的研究团队开发出了真正意义上的3D打印。这项被称为“体积3D打印”的技术打破了由下至上逐层打印的限制，使得3D打印过程可以实现自我支撑，而无需借助外在支撑结构。
“我们想知道的是，我们能否抛开这些复杂的步骤，直接打印整个物体，”这项研究的领导者，斯坦福大学助理教授Daniel N. Congreve说，“我们的目标是仅借助激光的移动来真正打印出三维图案，而不是受限于逐层打印的特性。”
这项全新设计的关键，就在于通过一个增频转换过程，将红光转变为蓝光。
在3D打印过程中，树脂在平坦的表面上，随着激光的路径沿直线硬化。在最新研究中，研究团队使用纳米胶囊包装实现增频转换的分子，使树脂只对激光焦点处增频形成的蓝光产生反应。光束从3个不同的方向扫描，因此不需要在上一层材料的基础上打印。
相比于传统手段，通过新方法产生的树脂黏性更强，因此在打印过程中，可以无需借助外力支撑“站立”。
▲在全新的3D打印过程中，蓝光诱导的化学反应使得树脂硬化（视频来源：Tracy H. Schloemer and Arynn O. Gallegos）
“通过我们对树脂、打印系统的设计，红光在这里不起作用，” Congreve教授说，“但小的蓝色光点诱导的化学反应让树脂变硬、形成塑料。总的来说，这意味着来自各个方向的激光穿过这个系统，但只有蓝光可以使树脂聚合，从而实现打印。”
研究团队使用这款全新的装置，打印了包括哈佛、MIT校徽在内的三维物体。此外，这套装置还打印出了一艘小船——这种物体常常作为3D打印机的标准测试对象，因为这样的小船足够小，并且需要舷窗这样的精细细节和开阔的船舱空间。
▲利用全新的3D打印技术打印的小船（图片来源：Dan Congreve）
当然，研究者也承认，目前仍有很长的路要走。“我们刚刚接触到这项新技术的浅层。” Congreve教授表示。接下来，他们计划继续改进这一系统，以提升其打印效率、包含更多细节。Congreve教授期待，这项全新的技术或将开创3D打印的全新未来：不仅使得打印设备不再需要复杂的支撑结构，而且潜力兑现后，有望大幅提升打印速度。
参考资料：
[1] Sanders, S.N., Schloemer, T.H., Gangishetty, M.K. et al. Triplet fusion upconversion nanocapsules for volumetric 3D printing. Nature 604, 474–478 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04485-8
[2] Making 3D printing truly 3D. Retrieved Apr. 20, 2022 from https://www.eurekalert.org/news-releases/950588
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