交叉光刻体积打印是一种革命性的** volumetric 3D printing**技术。

　　让我们来深入浅出地解析这个概念：

　　核心思想：从“逐层堆积”到“整体成型”

　　传统3D打印（如FDM，SLA）：像用打印机写字一样，需要一个点一个点、一层一层地扫描和堆积材料。这种方式相对较慢，且可能存在层间结合力弱的问题。

　　体积打印：目标是让整个三维物体在盛有液态光敏树脂的容器中一次性同时成型。想象一下，它不是“画”出来的，而是像摄影一样“显影”出来的，速度极快（通常只需几十秒）。

　　“交叉光刻”是如何实现这一点的？

　　“交叉光刻”是实现体积打印的一种关键方法。它的精髓在于“能量叠加”。

　　基本原理：

　　准备材料：使用一个透明的容器，里面装满对光敏感的光敏树脂。这种树脂有一个特性：只有在接收到特定能量剂量的光照时才会从液态变为固态。单独一束较低能量的光穿过它时，不会引发固化。

　　投射“切片”图像：

　　将3D数字模型在计算机中“切片”成一系列2D图像。

　　从不同方向（通常是两个方向，呈一定角度，如垂直或呈90度）将两束不同的光（通常是激光或经过调制LED的蓝光）投射到树脂容器中。

　　每一束光单独携带一个2D切片图案，并且每一束光的能量都低于树脂固化的阈值。

　　能量叠加固化：

　　当这两束光在树脂内部的某个特定三维空间区域相交时，它们的能量会叠加。

　　只有在这个交叉区域，总能量才超过了树脂的固化阈值。

　　计算机精确控制这两束光的图案，使得它们的交叉区域精确地扫描出整个目标3D物体的形状。

　　一个经典的比喻：

　　想象一个装满水的鱼缸（树脂），你在它的正面用手电筒（光束A）照出一个圆形光斑，在它的侧面用另一个手电筒（光束B）也照出一个圆形光斑。这两个光斑在鱼缸内部相交的区域会变得更亮。在交叉光刻中，这个“更亮”的区域就固化了，而其他被单一光束照射的区域则保持不变。

　　代表性技术：计算机轴向光刻

　　加州大学伯克利分校和海德堡大学团队开发的技术是交叉光刻体积打印的典范。他们的流程如下图所示：

　　这套系统的关键优势在于：

　　速度极快：打印一个厘米级的复杂结构，通常只需 30-120秒。

　　表面光滑：由于没有层状结构，打印出的物体表面非常光滑。

　　可打印活动部件：可以直接打印出诸如轴承、铰链等已经组装好的活动部件，因为它们是在液态树脂中一次性成型的，周围没有支撑结构。

　　可使用高粘度树脂：这对打印具有特殊机械性能（如弹性、生物相容性）的物体非常有利，而传统逐层打印很难处理高粘度材料。

　　优势与挑战

　　优势：

　　超高打印速度。

　　无阶梯效应，表面质量高。

　　可打印传统方式难以实现的复杂内部结构和活动部件。

　　对材料粘度容忍度高。

　　挑战与局限：

　　分辨率：目前其精度通常还不及最高精度的SLA或DLP技术。

　　材料限制：需要专门开发的光敏树脂，其固化特性必须非常适合能量叠加的原理。

　　尺寸限制：打印尺寸受容器和光学系统的限制。

　　支撑结构：虽然不需要传统支撑，但设计时需要确保物体的每个部分都能被双光束有效扫描到。

　　应用前景

　　生物医学：快速打印组织支架、定制化医疗模型（如心脏模型用于术前规划）。

　　软体机器人：一次性打印出具有复杂空腔和通道的软体执行器。

　　定制化产品：快速生产小批量的、具有复杂设计的消费品（如鞋垫、首饰）。

　　微纳加工：在更小的尺度上实现快速成型。

　　总结来说，交叉光刻体积打印是3D打印领域一个颠覆性的进展。它通过“能量叠加”的原理，实现了从逐层制造到整体“显影”的飞跃，在速度、表面质量和可成型结构方面都带来了巨大的突破，尽管目前仍在发展和完善中，但其潜力无限。

　　Xolography的核心原理与创新点

　　与之前提到的通用交叉光刻原理一致，但 Xolography引入了一个非常巧妙的“双色”光化学系统，使其效率和精度都达到了很高水平。

　　其核心过程如下图所示，涉及两种不同波长的光：

　　让我们来分解一下这个流程：

　　特殊的树脂系统：

　　树脂中含有一种特殊的双色光引发剂。这种分子需要依次吸收两个不同波长的光子才能启动聚合反应。

　　第一步：片光“活化”-波长λ1

　　一束薄薄的片状激光穿透树脂容器。这束光的波长（例如：蓝色光）被设计为只能“活化”光引发剂，但不能使其固化。

　　被这片光照射到的树脂分子从基态变为一个寿命较长的激发态（活态），就像给这片区域内的分子上了“膛”。

　　第二步：投影光“触发”-波长λ2

　　从与片光垂直的方向，投射另一束光（例如：红色光）。这束光携带了3D物体的一个横截面图案，并通过DMD芯片进行动态调制。

　　这第二束光的波长只能被已经处于“活态”的光引发剂有效吸收。

　　交叉区域发生固化：

　　只有当两束光在三维空间内相交时，活态的引发剂分子才会吸收第二个光子，从而获得足够能量，启动树脂的单体聚合成固体。

　　片光平面内，只有被第二束光的图案照射到的区域才会固化。

　　通过同步移动片光并连续改变第二束光的投影图案，就可以让这个固化的交叉区域扫描出整个3D物体的形状。

　　Xolography的主要优势

　　这种双色、分步的机制带来了显著的好处：

　　极高的空间分辨率：

　　因为固化反应被严格限制在两束光的交叉体积内，这个体积非常小（主要由片光的厚度和投影光的像素大小决定）。这有效抑制了传统体积打印中常见的“寄生固化”和光散射问题，实现了更高的打印精度。

　　更快的打印速度：

　　与一些需要旋转样品的体积打印方法（如计算机轴向光刻）不同，Xolography通过移动片光进行扫描，但其扫描是整个平面的，因此速度依然极快（比传统逐层打印快几个数量级）。

　　它通常能在几十秒到几分钟内完成一个厘米级复杂零件的打印。

　　出色的表面质量：

　　作为体积打印技术，它自然没有层纹，打印出的物体表面非常光滑。

　　材料适应性：

　　该原理允许使用粘度更高的功能性树脂，为制造具有特殊机械、光学或生物特性的零件提供了可能。

　　与 CAL的比较

　　特性

　　计算机轴向光刻

　　Xolography

　　原理

　　从多个角度投射2D图像，在三维空间通过光强叠加达到固化阈值。

　　使用两束不同波长的光，通过光化学态叠加在交叉区域选择性固化。

　　光路

　　需要从多个角度（通常围绕一个轴旋转）进行投影。

　　光路固定，一束为片光，另一束为投影光，通常呈90度。

　　分辨率

　　较高，但可能受限于投影角度和散射。

　　极高，因为固化区域被严格限制在极小的交叉体积内。

　　速度

　　极快，一次性投影。

　　非常快，但需要移动片光进行扫描。

　　总结

　　Xolography是体积3D打印领域的一项重大进展，它通过巧妙的双色光化学原理，将打印的精度、速度和表面质量提升到了一个新的水平。它特别适合于快速制造具有复杂几何形状、光滑表面和高分辨率要求的零件，在生物医学、微机械、光学元件和定制化制造等领域拥有巨大的应用潜力。它代表了从“制造”到“生长”物体的未来制造范式的一个重要方向。

　　关于 Xolography技术，目前它主要源于顶尖学术研究机构，并正处于从实验室向产业化过渡的关键阶段。以下是该技术核心的研究机构、领军人物以及相关的商业化企业信息。

　　一、核心研发机构与领军教授

　　这项技术的发源地和核心推动者主要在德国。

　　1.马克斯·普朗克医学研究所

　　这里是 Xolography技术的诞生地。

　　领军教授： Prof. Dr. Stefan Hell

　　角色：他是整个团队的负责人和导师。Stefan Hell教授因发明超分辨率荧光显微镜（STED）而荣获 2014年诺贝尔化学奖。他在光学和光物理领域的深厚造诣为 Xolography这种突破性的光打印技术提供了理论基础和灵感。

　　贡献：虽然他可能不直接参与日常实验，但这项研究是在他的部门完成的，体现了他一贯的研究风格——打破传统光学极限。

　　核心发明人与主要研究员： Dr. Dirk Englert和 Mr. Martin Hermatschweiler

　　角色：他们是 2020年发表在《自然》杂志上那篇开创性论文《Xolography for linear volumetric 3D printing》的共同第一作者和实际技术的主要开发者。

　　Dirk Englert很可能是负责光化学和物理机制研究的科学家。

　　Martin Hermatschweiler是 Nanoscribe GmbH的联合创始人（后文会提到），他为该项目带来了深厚的光学系统设计和3D打印专业知识。

　　贡献：他们是 Xolography技术从概念到实践落地的关键工程师和科学家。

　　2.海德堡大学

　　与马克斯·普朗克研究所关系紧密，共同构成了德国在该领域的科研中心。

　　二、相关商业化企业与开发现状

　　Xolography技术非常前沿，目前专门从事该技术商业化的“纯”Xolography公司还很少，但已经出现了明确的产业化平台和关联公司。

　　1. Xolo GmbH

　　身份：这是为了将 Xolography技术进行商业化而直接衍生成立的初创公司。

　　使命：专注于开发和销售基于 Xolography技术的体积3D打印系统，并推动其在微纳加工、生物医学和材料科学等领域的应用。

　　现状：该公司很可能仍处于早期发展阶段，专注于技术优化、原型机制造和寻找早期行业合作伙伴。他们是追踪该技术产业化的最关键实体。

　　2. Nanoscribe GmbH & Co. KG

　　身份：一家在全球双光子聚合领域处于绝对领导地位的德国公司。该公司由 Martin Hermatschweiler等人联合创立。

　　关联：由于核心发明人之一 Martin Hermatschweiler的深度参与，Nanoscribe与 Xolography技术有着天然的紧密联系。

　　角色： Nanoscribe可能扮演多种角色：

　　技术授权方或合作开发者。

　　未来系统的制造者和销售者。考虑到 Nanoscribe在高精度3D打印系统方面的丰富经验，他们是最有可能将 Xolography技术转化为成熟商业产品的公司。

　　他们可能将 Xolography作为其现有产品线（如量子、微流体、微光学元件打印）的一个强大补充或下一代技术。

　　3. BICO

　　身份：一家在生物融合领域进行积极收购和整合的跨国集团。

　　关联： BICO于2021年收购了 Nanoscribe。

　　意义：这次收购为 Xolography技术的商业化提供了强大的资金和市场渠道支持。BICO可能会将 Xolography技术重点应用于其核心的生物打印和组织工程领域，例如快速制造复杂的生物支架。

　　总结

　　机构/企业

　　角色

　　关键人物

　　马克斯·普朗克医学研究所

　　技术发源地，基础研究

　　Stefan Hell（诺贝尔奖得主，导师），Dirk Englert（核心发明人）

　　Nanoscribe GmbH

　　关联技术领导者，系统开发与商业化

　　Martin Hermatschweiler（联合创始人，核心发明人）

　　Xolo GmbH

　　直接衍生公司，专注于该技术的商业化

　　由核心团队创立

　　BICO

　　母公司/投资方，提供生物医学应用平台

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　　总而言之，如果你想了解 Xolography：

　　学术上，要关注德国马克斯·普朗克医学研究所和 Stefan Hell团队的后续论文。

　　产业化和应用上，要密切关注 Xolo GmbH的动态，以及 Nanoscribe在其母公司 BICO的支持下，是否会推出基于 Xolography技术的商业产品。这项技术被认为是未来颠覆微纳制造和生物打印领域的有力竞争者。