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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構(Multi-scale structures)，例如人體的肺器官由無數微觀的肺泡組成，植物葉表的超疏水結構，工程中用于增強減重的超材料以及生物醫療領域的微流體器件。

  投影式光固化三維打印(Projection-based Vat Photopolymerization)在加工這種多尺度復雜零件方面擁有極大的潛力，然而該技術本身存在打印面積（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（Step-and-repeat method） – 通過線性模組將投影系統移動到不同位置，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，人們又開發了連續移動光源光固化（Moving light method） – 投影系統在連續移動的同時投影圖片進行固化。該方法要求投影系統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專用高刷新率的投影系統。

  為解決打印面積限制以及打印速度問題，南加州大學的Yong Chen教授和其團隊成員Yang Xu博士后（共同一作）與普渡大學助理教授Huachao Mao（共同一作）, 及芬蘭阿爾托大學Jouni Partanen教授研發出一種躍進光固化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） 投影系統高效地打印出含有微觀結構的大尺寸（200mm）零件，并有潛力進一步提升打印速度 (圖1d-f)。相關研究工作以“Hopping Light Vat Photopolymerization for Multiscale Fabrication”為題發表在期刊《Small》上。其他參與者有南加州大學碩士生Cenyi Liu, Zhengyu Du, Weijia Yan和Zhuoyuan Yang。

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

  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