盤點：國內外微納級,、納米級3d打印技術和廠商

無論是桌面級還是工業(yè)級,，常見的3D打印機工作原理都是分層制造,，這使得層與層之間的精度很受限,，存在所謂的“臺階效應”。這使得3D打印機難以制造高精度的器件,，如各種光學元件,、微納尺度的結構器件等等。隨著3D打印技術的不斷進步,，微納3D打印的出現(xiàn),，完美的解決了這個問題。
微納3D打印和“傳統(tǒng)”3D打印的主要區(qū)別在于,，微納3D打印能達到“傳統(tǒng)”3D打印無法達到的高精度,。微納3D打印的精度能達到細觀、微觀和納觀（即十億分之一米）級別,。這一特性使得微納尺度3D打印能批量復制微小結構,，制造真正處于微觀級別的器件,，實現(xiàn)一般的3D打印無法企及的細節(jié)和精度,。

△納米級3d打印泰姬陵

下面,，南極熊就盤點一下，國內外有哪些微納級,、納米級3d打印技術和廠商,。

深圳摩方材料微納米3D打印技術
深圳摩方材料科技有限公司研發(fā)的微納米3D打印技術以及微納米級功能型復合材料，可以制造出千變萬化的新型復合材料,，如“超輕超強復合材料”,，其以納米微格為基礎，將“結構承重”深入到微觀尺度,，造出極為通透而堅固的材料,，同時又具有高硬度、高強度,、超低密度的優(yōu)點,。

摩方材料專有的技術稱為“PμLSE”（Projection Micro Litho Stereo Exposure），即“面投影微立體光刻”,，原理很像微視頻顯示設備,，系列圖像會通過縮影鏡頭連續(xù)投影到需固化的光敏樹脂上�,？s小的圖像投聚在光敏樹脂上,，紫外光會引起樹脂的固化或硬化的過程，這一過程也被稱為光致交聯(lián),。只有光照射的地方會固化,、變硬，形成預設的3D形狀,。所投影的圖案由三維圖像決定,，是電腦生成的三維模型的橫截面。輔之獨特的后處理技術,，摩方能制造各種產品,，包括陶瓷和光學鏡片。

△深圳摩方微納米3D打印3mm高3D打印埃菲爾鐵塔模型細節(jié)

微納米3D打印系統(tǒng)基于新型的面投影微光刻技術原理設計而成,，能實現(xiàn)多材料的微納尺度材料三維打印,，微結構分辨率達到0.5μm，可制造出長度150mm及以上的成形件,。面投影微光刻技術被認為是目前有前景的微細加工技術之一：采用幾個微米UV光斑, 采用層厚通常在1~10μm之間（提高精度）,，讓樹脂在非常小的面積發(fā)生光固化反應，通過一次曝光可以完成一層制作,，具備成型效率高,、生產成本低的突出優(yōu)勢,。

△深圳摩方微納米3D打印精細的血管模型

基于微納尺度的3D打印技術，可定制設計光學性能優(yōu)異,、超高精度,、超薄尺度的透鏡，不受透鏡尺寸,、形狀,、厚度的加工限制。該技術可做到加工速度快,、材料選擇面寬,、制作成本低，相對較適合產業(yè)化應用,。微納超薄透鏡,，可廣泛應用于超薄手機相機、VR/AR鏡片,、車載相機,、內窺鏡、微陣列透鏡,、柔性透鏡等領域,。

普利生（Prismlab）MP系列科研級微納米3D打印機

2018年，普利生（Prismlab）成功立項科技部《微納結構增材制造與裝備》項目,，并作為牽頭單位,，聯(lián)合東南大學、中國科學技術大學,、華中科技大學,、華東理工大學、南京大學,、南京航空航天大學,、長春理工大學等7所高校，以及蘇州賽菲集團有限公司,，組成強大研發(fā)團隊,，從共性技術、前沿技術,、關鍵技術與裝備,、應用示范四個層次出發(fā)，一路攻破微納領域多項技術壁壘,。

目前團隊已經成功研發(fā)出MP-36-3L和MP-200-17DL兩款微納3D打印機,，其運用了全球獨創(chuàng)的亞像素未掃描技術（SMS），可使打印精度達到3μm及以下。

MP-36-3L微納3D打印機

MP-36-3L微納3D打印機具有以下特點：

• 高精度：（XY打印精度高達3μm）
• 低層厚：（5μm~40μm的打印層厚效果對比）
• 光學監(jiān)控系統(tǒng),，自動對焦功能
• 配置氣浮平臺,，提高打印質量,優(yōu)良的光源穩(wěn)定性
  

普利生（Prismlab）MP系列科研級微納米3D打印機已經在多所高校和科研院所投入使用。

佛山市光壘智能制造有限公司
分辨率推進到微米亞微米尺度的DLP 3D打印技術

2018年,，佛山光壘智造表示,，將DLP 3D打印技術的分辨率推進到微米亞微米尺度。光壘智造全名是佛山市光壘智能制造有限公司,，技術來源于中山大學和北京化工大學,，這是一家從事3D打印技術的高科技企業(yè)，他們是怎么解決的,？

光壘智造的范冰豐博士認為，在各種現(xiàn)有的3D打印技術中（除雙光子吸收,、光全息,、電子束等科研手段外），只有DLP打印才有可能將分辨率進一步提高,，他認為從三個層面提高DLP的打印分辨率：

• 選擇像素更小的DMD微鏡,；
• 減小LED光源的波長，這個跟半導體技術里的光刻很類似,，現(xiàn)在制造CPU的技術都在用極紫外光曝光技術,；
• 設計更匹配的紫外聚焦成像光學系統(tǒng)。
  

△ 指尖上的埃菲爾鐵塔,，鐵塔蘊含豐富的細節(jié)

范博士早年從事LED半導體芯片的制造,，熟悉諸如半導體光刻、Stepper步進式曝光機,、無掩膜Maskless曝光機的工藝手段,，將類似工藝引入到DLP技術中。光壘智造的LED芯片工程師設計了高功率型的更低波段的紫外LED光源,，光學工程師們設計了匯聚型的光學鏡頭及紫外光路,，軟件工程師又進一步處理匯聚之后的畸變和光場均勻度調教，這樣才將DLP 3D打印精度推到了亞微米微米尺度,。

尤其重要的是,，目前大多數進口的光敏固化材料精度大概在10-100微米左右，設備打印精度卻在10微米以下,，光壘智造的化工團隊設計了精度更高與他們設備匹配的光敏材料,，使得打印微納結構能夠成功。

  

△三維密堆積微納結構,，下圖為高倍顯微鏡下的細節(jié)圖像

目前來說,，最實際的應用莫過于科研領域了，科研工作者有了這個設備，就可以打印各種微納結構的材料,，美美的在國際頂尖期刊灌水,。光壘的微納尺寸打印設備目前可接受定制，價格很親民,。

Nanoscribe納米和微米3D打印
Nanoscribe成立于2007年,，作為卡爾斯魯厄理工學院研究小組的分拆，目前,，Nanoscribe已經成為納米和微米3D打印的著名企業(yè),，并且在許多項目上都有所作為。Nanoscribe的激光光刻系統(tǒng)用于3D打印世界上最小的超高強度3D晶格結構,，它使用高精度激光來固化光刻膠中具有小至千分之一毫米特征的結構,。 換句話說，激光使基于液體的材料的小液滴內部的特定層硬化,。

Nanoscribe的Photonic Professional GT 3D打印系統(tǒng)

為了進一步適應日益增長的業(yè)務,，Nanoscribe還宣布將把設施搬遷到KIT投資3000萬歐元的蔡司創(chuàng)新中心。 此舉將于2019年底舉行,，將有助于推動微型3D打印領域的更多創(chuàng)新,。 Hermatschweiler補充說：“通過這個創(chuàng)新中心能夠與KIT靠的更近，卡爾斯魯厄不斷為Nanoscribe等公司提供創(chuàng)新和成功發(fā)展的理想環(huán)境,�,！�

　

微米級的3D打印自由女神像,、神廟,、埃菲爾鐵塔

  

世界上最小的指尖陀螺,，寬度僅為100微米

ORNL的科學家們使用Nanoscribe的增材制造系統(tǒng)來構建世界上最小的指尖陀螺， 該迷你玩具的寬度僅為100微米（與人類頭發(fā)的寬度相當）,。除了用于無線技術,，Nanoscribe的3D打印技術還可用于制造高精度的光學微透鏡，衍射光學元件,，用于生物打印的納米級支架等等,。

瑞士Cytosurge
微納尺寸的金屬3D打印

瑞士納米技術公司Cytosurge成立于2009年，是蘇黎世聯(lián)邦理工學院的分支機構,，由于市場上缺乏生產微米和納米金屬結構的技術,，他們便開始開發(fā)Fluid FM工藝。2018年Cytosurge宣布升級其Fluid FM μ3D打印機,，新增的功能允許增材制造實現(xiàn)微制造,，并且可以在現(xiàn)有結構上進行3D打印。

△在微芯片上的FluidFM 打印,，圖片來自Cytosurge

FluidFM 技術結合微流體及原子力顯微鏡的優(yōu)勢壓力感測,，離子探頭內顯微通道可供微量液體流通。微流體與原子力顯微鏡的獨特組合可創(chuàng)造出形體更復雜、純度更高的金屬物體,。光學原子力反饋機構可進行即時的過程控制,。FluidFM離子探頭注射口的最小口徑可小于人類頭發(fā)直徑1/500。在這個注射口徑尺寸下,，最低流速可達每秒數飛升,，是目前最先進流量探測器的探測限值1/1,000,000。FluidFM技術使微納米級復雜金屬物體的制造成為可能,。

△△FluidFM μ3Dprinter用于納米光刻,、崎嶇表面打印、納米和微米等級的3D金屬和聚合物結構打印,。

其技術參數：

• 理論打印空間（金屬）：高達 1,000,000 μm3
• 成型空間 (mm)：100 x 70 x 60
• 打印速度：高達 100 μm/s
• 定位精度：XY ± 250 nm & Z ± 5 nm
• 打印控制：即時
• 打印精度：納米級
• 打印注射量：飛升級
  

如此獨特的技術,，主要用于：

• 3D 打印：FluidFM 微納米3D打印機可直接打印微納米級的復雜金屬物體,。
• 多種金屬打�,。恒~、銀,、金、鉑,，目前正在研究30多種金屬（鎳,、鉻、鎘,、鐵,、銦、鋅等）的電化學增材制造技術,。
• 納米光刻技術：可打印納米級的向量以及復雜2D結構,。可配置各種液體及納米粒子,，精度達飛升,、納米級。
• 表面修復：可進行高精度的表面修復與改造,，可運用多種材料打印,，且結構精確。
  

通過電化學工藝,，F(xiàn)luidFM技術使用微量移液管通過300納米的孔徑,，控制含離子液體（硫酸銅溶液）的沉積。然后該溶液通過與電極的化學反應,，轉化為可沉積在打印床上的固化材料,。

在室溫下工作時，打印機能夠生產1立方μm至1'000'000立方μm的高品質金屬物體結構。諸如90度角的懸垂結構等設計可以使用這種工藝進行3D打印,，從而在打印復雜的3D物體時不需要結構支撐,。

在FluidFM技術首次發(fā)布后，Cytosurge聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Pascal Behr博士表示：“新開發(fā)的3D打印方法適用于各種市場的應用,。我們看到了潛在的應用,，特別是在手表和半導體行業(yè)以及醫(yī)療器械領域�,！�

  

Cytosurge通過增加兩臺高分辨率相機擴展了現(xiàn)有功能,。 這些相機與Fluid FM μ3D打印機集成在一起，可以實現(xiàn)更精確的3D打印,，并且可以在現(xiàn)有結構上進行3D打印,。

一臺相機的任務是對要打印的物體或表面進行成像，另一臺相機用于系統(tǒng)處理,，打印機設置,，校準和計算機輔助對齊。用戶可以在包括集成電路板的微機電系統(tǒng)（MEMS）上3D打印金屬物體,，升級后的Fluid FM μ3D打印機的應用包括用于生命科學和物理學研究的亞微米級實驗,。

奧地利UpNano
雙光子3D打印機

雙光子3D打印技術原理

△雙光子3D打印技術原理

雙光子吸收（2PA）的空間選擇性。2PA的概率在聚焦點之外顯著降低,，因此也降低了熒光體積,，實現(xiàn)了更高的空間分辨率。熒光顯微鏡中單光子束路徑和多光子束路徑的直接比較顯示,，2PA僅出現(xiàn)在光束的焦點處,。 因此，單體交聯(lián)僅在焦平面上發(fā)生,，因為聚合反應取決于這種非線性吸收,，而在1光子吸收的情況下，發(fā)射的光會沿整個光束吸收,。這解釋了為什么逐層生產采用基于單束光子的工藝（例如立體光刻）生產的零件,，而雙光子零件卻可以3D打印小于100 nm分辨率物體的原因。

此前,，人們認為,，使用光聚合物作為材料，在亞微米的精度范圍內,，雙光子3D打印機不能打印出ISO測試所需的（大）尺寸試樣,。UpNano專有的自適應分辨率技術與強大的激光器相結合，打破了這個不可能性,，可以使用符合ISO標準的材料,，為工業(yè)和學術界3D打印納米尺寸的零件,。

高分辨率的3D打印技術可以生產出比傳統(tǒng)制造工藝更小、更精確的零件,。然而,，隨著這項技術的潛力越來越受關注，世界各地的工業(yè)和研究機構,，都要求獲得關于各種打印技術所使用的大量不同材料的質量信息,。

△NanoOne雙光子3D打印機

這通常來說很困難，因為大多數標準的材料規(guī)格測試方法需要的試樣,，比高分辨率3D打印機能夠生產的試樣大得多�,，F(xiàn)在，雙光子聚合（2PP）3D打印技術的領導者UpNano公司成功地利用其NanoOne打印機成功地制造出了所需的厘米范圍內的測試樣件,，使用的是納米分辨率,。


法國公司Microlight3D

法國公司Microlight3D在格勒諾布爾 - 阿爾卑斯大學進行的15年雙光子聚合研究，已經在3D微打印和應用領域積累了大量的專業(yè)知識,，自2017年開始銷售其高分辨率3D打印機,。

△高度僅80微米藝術家自畫像

在Artotheque FRAC Limousin New Aquitaine展上，展了出Paysant的納米級3D打印雕塑,，Microlight3D在雕塑表面添加了一層薄薄的金（100nm厚）,。

△Microlight3D 微納米3D打印機

青島理工
電場驅動噴射沉積微納3D打印技術
青島理工大學山東省增材制造工程技術研究中心蘭紅波教授團隊長期致力于微納尺度3D打印的研究。近年來,，提出并建立了一種原創(chuàng)性的微納增材制造技術—電場驅動噴射沉積微納3D打印,，研制出國內具有完全自主知識產權的微納3D打印機。

電場驅動噴射沉積微納3D打印作為一種全新的微納3D打印技術,，在透明電極、血管支架,、組織支架,、微光學透鏡、柔性電子,、紙基電子,、大面積微模具等諸多領域展現(xiàn)出了巨大的應用前景。

該團隊開發(fā)了一種使用EFD微尺度3D打印PMMA模具和UV輔助微轉移厚膜銀膏來生產高性能TGHs的廉價新技術,。TGHs 具有卓越的光電性能,T 為 93.9%,H 值小于1%,R 值為 0.21 Ω 平方±1,。此外,通過監(jiān)測溫度分布和時間響應,該TGH設計證明具有均勻、穩(wěn)定的加熱性能,。它還表現(xiàn)出顯著的化學和機械穩(wěn)定性,90天后在大氣環(huán)境中的Rs增加微不足道,。這包括惡劣的環(huán)境,例如 100°C 處的長期超聲波振動。此外,銀網和玻璃基板之間的附著力足夠強,在100次粘附實驗后,R幾乎保持不變,。此外,通過成功的除冰試驗,證明了所提議的TGH的實際可行性,。

這些優(yōu)勢可歸因于 EFD 微尺度 3D 打印的新型包含,它可以打印具有高 AR 的 PMMA 模具,以及可成功傳輸厚膜銀膏的 UV 輔助微移工藝,。由此產生的TGH提供了前所未有的性能。因此,本文提出的制造方法為生產低成本,、高性能的TGHs提供了一個有前途的策略,。

美國加州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室Sourabh K. Saha和香港中文大學Shih-Chi Chen
通過超快激光打印亞微米結構技術

美國加州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室Sourabh K. Saha和香港中文大學Shih-Chi Chen合作提出一種通過超快激光打印亞微米結構的技術。通過投影2D聚焦平面構筑3D模型,。這種方法在不犧牲分辨率的情況下將傳統(tǒng)方法的產率提高了三個數量級,。能夠在8分鐘的時間內打印出傳統(tǒng)TPL方法幾個小時才能完成的結構。

“我們可以同時投影一百萬個點,，而不是使用單個光點,，從而極大地提高了速度，因為我們可以使用整個平面,，來代替使用必須掃描的單個點來創(chuàng)建結構的方法,。 對于投射光， 我們沒有聚焦一個點,，而是擁有一個可以被圖案化為任意結構的整個聚焦平面,。”美國加州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室Sourabh Saha說道,。這個技術,，其實在我們熟知的3D打印技術中，就是DLP面曝光3D打印技術,。

研究人員多年來一直致力于加速用于生產納米級3D結構的雙光子光刻工藝,。 他們的成功來自采用一種不同的聚焦光的方法，即利用其時域特性,，從而可以生產出具有高分辨率且具有微小特征的超薄光片,。飛秒激光的使用能夠保持足夠的光強度，以觸發(fā)雙光子過程聚合,，同時保持較小的點尺寸,。 在FP-TPL技術中，飛秒脈沖經過光學系統(tǒng)時會被拉伸和壓縮,，以實現(xiàn)時間聚焦,。該過程可以生成比衍射限制的聚焦光斑更小的3D特征，并且需要兩個光子同時撞擊液體前驅物分子,。

FP-TPL的單層容量處理速率超過現(xiàn)有TPL技術至少三個數量級,。我們的3D打印速率超過現(xiàn)有最快的TPL技術，其中多孔結構超過90多倍,，非孔結構超過450倍,。FP-TPL方法能夠打印復雜3D亞微米特征結構圖案。FP-TPL可實現(xiàn)高軸向分辨率,。另一個FP-TPL優(yōu)于傳統(tǒng)技術的是打印曲線的能力（圖 2E）,，在分段線性路徑離散近似過程中,，無需分段加速和減速。這在很大程度上增加打印效率,。還允許打印具90°懸伸的長懸架橋結構（圖2G）,。FP-TPL的打印量、分辨率和模式靈活性使其成為一項有吸引力的技術,，可實現(xiàn)微納米結構的批量制造,，可能使用在機械和光學超材料，微光學,、生物支架,，電化學接口和柔性電子器件多種領域。是一項具有實用性的革新技術,。

Old World Labs（OWL）
納米級高精度3D打印機
OWL Nano不像用鏡子反射激光束到目標位置的其他立體光刻打印機,，OWL Nano將它的激光源放在離打印結構僅幾個厘米的位置。因而減少了光束的變形,，可形成高度可調的,、單束的激光，這種激光可以聚焦到100納米那么小的區(qū)域里,。OWL Nano的激光還能和下面的打印物體形成完美的90度垂直夾角,，讓3D打印更加均衡。

MC-1技術規(guī)格：
分辨率：1微米
精度：100納米（機械能力）
準確度：+/- 500納米
重復性：99％
最大打印尺寸：15厘米×15厘米×15厘米
打印速度：1英寸^ 3 /小時
使用材料：光致聚合物
重量：80磅
外形尺寸：26L×18W×26H英寸
電源輸入：110VAC
工作溫度：72degF

德國TETRA
雙光子聚合納米3D打印機
TETRA是一家德國公司,，擁有超過40名高技能的工程師,，主要開發(fā)、生產和銷售包括傳感器,、機器人和自動化方面的產品,。盡管這些產品適用于不同行業(yè)，但是他們的專業(yè)之一就是針對微型和納米技術生產高度專業(yè)化的測試和制造系統(tǒng),。其他的客戶包括生命科學,、電子行業(yè)和材料行業(yè)的用戶。
TETRA推出的TETRA納米3D打印機,，該機器主要使用雙光子聚合技術，并號稱能夠打印出世界最小的納米級3D對象,。雙光子聚合是一種光刻工藝,，主要使用超短脈沖激光來固化液體光敏材料。在實際操作中有點類似于現(xiàn)在的SLA技術,，使用激光束固化焦點區(qū)域的材料,，只不過尺寸要小得多。

  

“打印區(qū)域的尺寸可以通過激光功率和僅有幾微米的聚焦直徑來確定,�,！盩ETRA公司的Norman Petzold稱,，“固化區(qū)域的直徑最低可以小于100納米，從而可以以非常高的分辨率打印納米結構,�,！痹摷{米3D打印機被設計為在工業(yè)環(huán)境中使用，并且能夠小批量生產,。

整體上,，這款3D打印機最大打印尺寸為30×30×30毫米，精度達400納米,，精度比當前市場上的納米3D打印機提高10倍,。

Schwarz-P細胞的細胞培養(yǎng)支架（反射電子顯微鏡畫面）

  

用于培養(yǎng)骨細胞的納米結構

目前，TETRA的納米結構已經被用在組織工程和細胞培養(yǎng)方面,，其高分辨率的支架可支持細胞成長,，同時也可針對不同類型的細胞進行優(yōu)化。另外,，其納米結構的設計還可以根據指定孔徑的大小,、壁密度和材料成分進行調整。其他應用包括光電子,、微系統(tǒng)技術和傳感器等,。

中科院理化所雙光子3D打印
中科院理化所該實驗室目前已經可以使用雙光子3D打印技術打印出直徑為18nm的懸空線和玻璃基板上35nm的納米線結構�,；�于多光子激光直寫加工技術,，該研究團隊近年來取得了一系列研究成果，如高分辨3D水凝膠結構,，手性互補超穎材料,，高透光率的有序金屬網格透明電極結構。,。

在光學界頂級期刊《Laser & Photonics Review》發(fā)表論文[Laser Photon. Rev. 10(4), 665-672 (2016), Three-dimensional Luneburg lens at optical frequencies],，引起了廣泛關注。該論文開創(chuàng)性地利用納米級的3D打印技術——超衍射多光子直寫加工技術制備了聚合物三維Luneburg透鏡器件,，其大小僅相當于人類頭發(fā)直徑的1/2,，第一次將真三維的Luneburg透鏡的工作波段從微波推廣至光波段，使對三維Luneburg透鏡的研究從宏觀的微波領域轉向光學領域邁進了堅實的一步,，該研究成果將進一步促進微小光學和變換光學的發(fā)展,，并打開了納米級3D打印技術在微納米器件領域中的全新應用。

但是目前該技術主要是用在科研領域,，產業(yè)應用方面有待進一步開拓,。隨后，南極熊參觀了正在進行雙光子3D打印的設備,，整套設備由高端的激光器,、復雜的光路和精度極高的顯微設備構成,，由于保密限制南極熊暫時無法公開照片。

但是,，近幾年鄭老師團隊在對雙光子3D打印設備進行系統(tǒng)集成和改造后,，推出了一套小型的雙光子3D打印解決方案，可以實現(xiàn)穩(wěn)定的雙光子3D打印研究,，目前該設備主要適用于科研領域,。

△中科院理化所的雙光子3D打印解決方案

韓國電子技術研究所
韓國電子技術研究所（KERI）宣布他們發(fā)明了一種新的3D打印技術，可以有效操控銀納米顆粒墨水,，從而制造出納米級的銀結構,，推動電子行業(yè)發(fā)展，尤其是可穿戴電子產品這個目前越來越火爆的部分,。

這項技術是由KERI聯(lián)合韓國的漢陽大學,、高麗大學，以及中國的香港大學聯(lián)合研發(fā)的,，原理是用一種半月板形的結構來控制銀納米顆粒,，然后通過層層堆積的方式創(chuàng)建出3D實體（有些類似FDM技術）優(yōu)點在于可以讓材料保持良好的流動性，實現(xiàn)高質量連續(xù)打印,。

技術所用的墨水是由銀納米顆粒和一種聚丙烯酸構成的,。丙烯酸在被擠出時會迅速蒸發(fā)，帶走大量的熱,，令銀納米顆粒迅速凝固,。值得一提的是在打印完成后，銀結構還需要通過微波進行加熱處理,，才能獲得更高的結構完整性,。

目前，研究者們已經通過打印出許多不同的銀結構證明了這種技術的確可行（上圖）,，同時也通過串聯(lián)LED的方式證明了這些3D打印的銀結構確實擁有良好的導電性,。

弗勞恩霍夫激光技術研究所
100納米分辨率的DLP-MPP 3D打印機

在LightFab GmbH，Bartels Mikrotechnik GmbH和Miltenyi Biotec GmbH的幫助下,，弗勞恩霍夫激光技術研究所ILT的工程師目前正在構建一臺結合了DLP（數字光處理）和MPP（多光子聚合）3D打印技術的3D打印機,，該項目名字為“通過UV聚合和多光子聚合的組合在增材制造中實現(xiàn)高生產率和細節(jié)”，被簡稱為HoPro-3D,。

HoPro-3D項目由歐盟和北萊茵 - 威斯特法倫州資助,，旨在縮小快速3D打印與超精確3D打印之間的差距。具有亞微米分辨率的MPP 3D打印機的最大缺點是它們的速度;因為它們使用來自低功率激光器的脈沖來產生單個UV光子,，它們一次僅固化材料的體素（3D像素的一個像素）。而DLP是最快的3D打印方法之一,。相比之下,，MPP 3D打印的分辨率為100 nm（納米）,，比10μm的DLP 3D打印高1000倍。

將這兩種技術都放入3D打印機可以快速制造出具有亞微米細節(jié)的更大固體,。 例如,，具有微機械和微流體系統(tǒng)的可植入生物醫(yī)學裝置可以是3D打印的。 甚至像鏡頭和棱鏡這樣的光學功能元件也可以集成到物體中,。 通過將該技術與由光控制的3D打印微結構相結合,，可以將基于光的電路3D打印到更大的組件上。

  

系統(tǒng)配備了發(fā)射波長為365 nm的高性能LED和具有高清分辨率的DLP芯片; MPP模塊使用飛秒激光器和快速掃描儀和顯微鏡光學器件,。 它是“兩全其美”的3D打印機,。 HoPro-3D項目在2018年11月開始運行三年，屆時它們很可能會擁有一臺用于市場銷售的機器,。

佐治亞理工學院
采用超音速氣體噴射技術開發(fā)出納米3D打印技術

佐治亞理工學院的研究人員利用聚焦電子束開發(fā)了一種更快速的納米3D打印方法,。他們發(fā)明了一種微小的高能超音速氣體射流，以加速前體材料的沉積,。 該技術可以發(fā)掘出熱力學現(xiàn)象以及3D納米加工的新應用,。

聚焦電子束誘導沉積
聚焦電子束誘導沉積（FEBID）是3D納米加工的直接方法。 一束高能電子和一股熱激發(fā)前體氣體聚焦在基板上的同一點上,。 當電子束撞擊基板時,，材料分子就會沉積。 通過精確控制,，這種方式可以制造復雜的納米3D結構,。 除了高沉積精度外，F(xiàn)EBID技術還可以打印大尺寸,，并支持廣泛的材料,。

FEBID過程的例證。圖顯示注入（1）前體氣體顆粒擴散（2）和釋放物質（3）形成受控表面和金屬連接原子（4）,。圖片來自Beilstein J Nanotechnol,。 2012; 3：597-619。

納米級3D結構為監(jiān)測,、計算機處理和能源研究提供了新方法,。除了FEBID之外，還有其他具有功能應用的3D納米加工方法,。賓夕法尼亞州立大學通過雙光子聚合生產LED,，新加坡科技與設計大學通過多光子光刻技術開發(fā)出一種防偽裝置。

利用超音速噴射加速納米3D打印
FEBID的主要限制是其生產時間長,，因而限制了納米器件的大批量生產,。為了克服這一障礙，研究人員尋找一種能夠在不增加基板溫度的情況下提高沉積速度的方法。為了激活前體分子,，該團隊發(fā)明了一種直徑為幾微米的微毛細管注射器,。進入沉積真空室，噴射器引入微小的氣體分子射流,，加速到超音速,。吸附在基板上的前體分子被來自超音速射流的能量激發(fā)。在這種激活狀態(tài)下,，來自光束的電子之間的化學鍵更容易破裂,。結果，納米3D打印過程加快了,。

掌握了這項技術后,，研究人員希望了解潛在的物理現(xiàn)象。 開發(fā)關于這種3D納米加工技術的理論將有助于將其擴展到其他領域,，如定向自組裝,，外延生長和其他領域。在不干擾其熱力學狀態(tài)的情況下,，不能直接測量吸附原子（吸附原子的簡稱）溫度,。 因此，該團隊開發(fā)了納米級溫度計模型,，以預測吸收有效溫度和表面溫度,，以控制超音速微噴氣體撞擊。

加熱的毛細管微噴嘴,，安裝在FEBID系統(tǒng)的沉積打印倉內,，以及用于石墨烯互連的沉積物的電特性的測試芯片。 圖片來自佐治亞理工學院,。

在未來的工作中,，研究人員計劃使用含有高能惰性氣體和前體氣體的混合式噴氣機。 除了顯著加速3D納米加工之外,，混合噴射還可以在3D打印期間精確控制材料成分,。 這使得能夠形成具有超出現(xiàn)有納米制造技術范圍的相和拓撲結構的納米結構。

《Nature Communications》發(fā)表"靜電射流偏轉" 技術

"靜電射流偏轉" 技術,，這項技術可以噴射出出亞微米級的射流,，噴射速度可以達到1m/s（普通FDM 3D打印機的噴出材料的速度在50-150mm/s）。那么如此快速的噴射亞微米射流,，怎樣才能按照控制預設的結構進行層層堆疊呢,？研究人員在噴嘴周圍加上了電場，通過控制電極上的電壓,，使射流產生靜電偏轉,。通過高達2000 Hz的電場頻率,，控制納米絲材按照規(guī)律層層堆疊來打印3D對象，噴射連續(xù)調節(jié)的加速度可以達到100萬m/s2,。

最終這項新技術實現(xiàn)的平面內打印速度高達0.5m/s,，垂直方向的打印速度可以達到0.4mm/s。

△圖b技術原理,，首先打印墨水不是靠擠壓噴出的，而是靠在噴嘴和打印基板之間施加了1000V的電壓,。一旦作用在液體墨水表面上的電應力克服了表面張力,，液面便會形成一個泰勒錐（圖片a），從而將很細的墨水射向打印基板,。

其次,，在X軸和Y軸方向，同樣增加了電極,，這些電極能夠改變射流附近的電場,，從而控制墨水噴射到打印基板上的位置。隨后的打印過程與傳統(tǒng)的3D打印一樣,，逐層堆積直至形成所需的三維結構,。

這項研究通過對帶電射流軌跡的控制，實現(xiàn)了基于噴嘴的亞微米分辨率的3D打印,。并且平面內打印速度最高可達0.5 m/s,，離面速度高達0.4mm/s，超越了所有已知的能夠提供亞微米分辨率的增材制造技術,。另外,，計算出的加速度高達100萬m/s2，比依靠機械平臺定義物體幾何形狀的技術所提供的加速度高四個數量級,。

通過帶電噴頭的靜電偏轉,，復雜的3D結構通過精確的靜電驅動逐層自組裝，實現(xiàn)了高達每秒2000層的速度進行打印,。此外,，控制油墨粘度和組成允許調節(jié)打印對象的微觀結構。綜上所述,，EHD噴射偏轉打印可以實現(xiàn)幾乎任何成分,、可調整微觀結構和功能的3D對象的超快速微制造。

美國紐約市立大學
聚合物刷超表面光刻技術

美國紐約市立大學的Adam B. Braunschweig（通訊作者）團隊報道了一種“聚合物刷超表面光刻”技術,，其可以獨立控制圖案中每個像素的單體組成和特征高度,，并且像素邊緣長度約為5 μm，同時避免了對昂貴光掩模的需求,。將這些圖案稱為超曲面,，借用從同名的數學概念來表示該圖案，在該模式中，每個像素有三個以上的屬性可以獨立控制（即用x和y位置表示聚合物高度和化學成分）,。因為四維（4D）打印已被用來表示對象的加性制造,，且這些對象的形狀隨著外部刺激而隨時間改變。為了創(chuàng)建這些超表面,，作者集成了數字微鏡設備（DMD）,、微流控技術和安裝在壓電平臺上的無氧反應室（圖1）。

基于DMD的打印機已與微流體技術相結合,，用于寡核苷酸和寡肽微陣列的制造,，并可以制備用于組織工程的支架。該打印機是基于TERA-Print E系列儀器構建的,，其可協(xié)調DMD（1024×768個獨立可控反射鏡）,、光源（405 nm LED，32 mW cm-2）和帶有CPU接口的壓電平臺以投射圖案從上載的圖像文件中獲取的圖像,。惰性氣氛腔室由一個密封的聚苯乙烯電池,、一個玻璃窗（將光從DMD傳遞到表面）以及用于將單體溶液引入反應性底物的管子的入口和出口孔組成。功能化基材上的另一塊玻璃板形成50 μL反應池,，其中溶液通過毛細作用力被吸到表面上,。由單體、溶劑和光敏劑組成的反應溶液通過注射泵控制反應池內的流量引入和退出,。此外,，可以在上游并入微流體混沌混合器以混合不同比例的組分。

圖：光化學打印機

開發(fā)了一個用于嵌段共聚物陣列光化學構圖的平臺,，該平臺可以獨立控制>750,000像素中每個像素的位置和組成,，并具有微米級的特征分辨率。由于表面是由計算機調制的DMD照射,，因此可以打印任意圖案而不需要使用一系列昂貴的光掩模,。其中，微流控技術和無空氣反應室與DMD的集成是一項關鍵創(chuàng)新,，其允許時空控制將不同材料接枝到基材上,，并且原則上可以用來制造由幾乎無限數量的獨特刷子成分的聚合物組成的聚合物圖案。