佛羅里達(dá)大學(xué)：靜態(tài)液體約束界面立體光刻技術(shù)

來源： EngineeringForLife

傳統(tǒng)的立體光刻技術(shù)3D打印技術(shù)由于聚合層粘附在固體約束界面上，打印物體與固體界面的分離需要機(jī)械干預(yù),，如拉動(dòng)和滑動(dòng)。由此產(chǎn)生的分離力與聚合面積成正比,，會(huì)損壞打印物體結(jié)構(gòu)并降低可靠性,。巨大的機(jī)械分離力限制了可打印的幾何形狀，并且對(duì)于懸空結(jié)構(gòu)需要添加支撐,，導(dǎo)致加工可靠性差,，限制了零件的幾何設(shè)計(jì)空間,。

近期，來自美國佛羅里達(dá)大學(xué)的Toshikazu Nishida教授團(tuán)隊(duì)在Communication materials上發(fā)表了題為“High-resolution stereolithography using a static liquid constrained interface”的文章,，通過使用樹脂下面的靜態(tài)惰性不混溶液體作為約束界面,，靜態(tài)液體可以在離散的分層打印和連續(xù)打印中減輕粘滯。惰性液體在離散打印過程中起著脫濕界面的作用,，在連續(xù)打印過程中作為氧的載體抑制聚合,。這種方法適用于廣泛的曝光條件和樹脂性能。文章展示了從16μm到數(shù)千微米的多尺度微結(jié)構(gòu),，以及在無支撐的情況下打印長寬比大于50:1的功能器件,。

圖1 使用靜態(tài)液體約束界面的立體光刻

液體樹脂的光聚合發(fā)生在與樹脂不混溶的惰性液體的界面附近，固定在樹脂下方的惰性液體起約束界面的作用,，類似于固體界面,，如玻璃、聚二甲基硅氧烷(PDMS)或氟化乙烯丙烯薄膜,。在暴露于帶圖案的紫外線光下,，只有樹脂經(jīng)過交聯(lián)化學(xué)反應(yīng)形成固體聚合物，而惰性液體保持不變,。惰性液體具有化學(xué)惰性,，對(duì)于聚合光的波長透明，比樹脂密度高,，與樹脂高度不混溶,，表面能低等特點(diǎn)。研究中使用的氟化油惰性液體具有雙重功能——用于連續(xù)打印的聚合抑制界面和用于離散打印的去濕界面,。用氮?dú)饨档头投栊砸后w中的溶解氧濃度可以減小死區(qū)厚度,，增加橫向固化面積。

圖2 惰性液體中的氧氣含量用于控制死區(qū)

使用液體界面用于離散3D打印時(shí),，物體的機(jī)械分離力幾乎為零,。因此，液體約束界面為制造大截面面積的結(jié)構(gòu)提供了顯著的優(yōu)勢(shì),。在打印大懸空和高長寬比的微觀結(jié)構(gòu)時(shí),，使用固體約束界面時(shí)由于粘結(jié)力的作用，這些結(jié)構(gòu)很容易失效,。通過降低惰性液體的粘度或通過降低拉出速度來減小脫濕距離,。此外，氟化油的低表面能允許脫濕發(fā)生,，而沒有形成附著在聚合層上的惰性液體的殘余體積,。文章還研究了不同曝光劑量以及樹脂特性對(duì)成型時(shí)間的影響。

圖3 離散打印中不同條件對(duì)橫向分辨率的影響

使用靜態(tài)液體界面,文章演示了各種微器件的制造。如1mm高的螺旋線圈,柱子和漏斗,；密集通道陣列(深1 mm,，直徑75μm的孔，最小實(shí)壁寬度16μm),；直徑從50μm到500μm的通道陣列,；1.5 mm長、60μm寬的懸伸梁,，以及快速制造電熱致動(dòng)器等功能式微機(jī)電系統(tǒng),。

圖4 使用靜態(tài)液體約束界面制造的各種3D微器件

靜態(tài)液體約束立體光刻過程減輕了機(jī)械分離力，從而實(shí)現(xiàn)了具有無約束幾何自由度三維物體的可靠制造,。該工藝可以使多尺度增材制造成為微加工和軟光刻的可行方案,，也可以應(yīng)用到包括生物醫(yī)學(xué)設(shè)備、MEMS傳感器和驅(qū)動(dòng)器,、微型機(jī)器人,、射頻組件、電子封裝等多個(gè)領(lǐng)域,。