无论是自然界或者人类身体本身充满了横跨多尺度的结构(Multi-scale structures)，例如人体的肺器官由无数微观的肺泡组成，植物叶表的超疏水结构，工程中用于增强减重的超材料以及生物医疗领域的微流体器件。

  投影式光固化三维打印(Projection-based Vat Photopolymerization)在加工这种多尺度复杂零件方面拥有极大的潜力，然而该技术本身存在打印面积（print area）以及精度（resolution）之间的矛盾。随着打印机面积的增大，单个像素尺寸（pixel size）也会随之变大，降低了打印分辨率(图1a)。一个显而易见的解决办法是步进重复（Step-and-repeat method） – 通过线性模组将投影系统移动到不同位置，停下后投影直到打印完整个平面 (图1b)。在打印大尺寸零件时，该方法由于频繁的小线段加减速运动，打印时间会急剧增加，而打印可靠性和硬件寿命会急剧下降。为了提高打印效率，人们又开发了连续移动光源光固化（Moving light method） – 投影系统在连续移动的同时投影图片进行固化。该方法要求投影系统每移动一个像素需要刷新一张掩膜图像，否则会因为运动模糊（motion blur）导致错误的固化 (图1c)。为此投影仪需要极高的刷新率(例如10 kHz)，市面上多数的投影仪都无法达到该性能要求而不得不降低打印速度或者开发专用高刷新率的投影系统。

  为解决打印面积限制以及打印速度问题，南加州大学的Yong Chen教授和其团队成员Yang Xu博士后（共同一作）与普渡大学助理教授Huachao Mao（共同一作）, 及芬兰阿尔托大学Jouni Partanen教授研发出一种跃进光固化3D打印工艺（Hopping Light Vat Photopolymerization，HL-VPP），该工艺能够仅用10 Hz的刷新率的高精度（10 μm/pixel） 投影系统高效地打印出含有微观结构的大尺寸（200mm）零件，并有潜力进一步提升打印速度 (图1d-f)。相关研究工作以“Hopping Light Vat Photopolymerization for Multiscale Fabrication”为题发表在期刊《Small》上。其他参与者有南加州大学硕士生Cenyi Liu, Zhengyu Du, Weijia Yan和Zhuoyuan Yang。

图 4. Hopping Light打印测试: a-d 含有微观结构与宏观结构的大面积零件； e-g 含有微针结构的大面积表面；h-n 含有仿生超疏水结构的大面积表面。 

  论文信息与链接：

  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