介尺度亞納米表面質(zhì)量的免裝配復(fù)雜光學(xué)器件的超高速3D打印

來源： 極端制造 IJEM作 者：彭帥1,*,、徐嘉文1、李東亞1,、任俊1,、張盟1,、王曉龍2,#,、劉禹1,#（*為第一作者，#為通訊作者）機(jī) 構(gòu)：1 江南大學(xué),、2 中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所）

復(fù)雜空間形貌的光學(xué)透鏡在激光加工,、機(jī)器視覺、光通信等領(lǐng)域正在廣泛應(yīng)用,。傳統(tǒng)的光學(xué)透鏡制造方法主要是通過超精密加工與研磨和拋光后處理技術(shù)等結(jié)合實(shí)現(xiàn),，通常工序繁多、成本昂貴而且較難滿足復(fù)雜自由度要求,。增材制造技術(shù)在制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)的光學(xué)器件方面正在展示出較為明顯的優(yōu)勢,。然而，層層堆疊的增材制造方式,，存在打印速度過低,、層間階梯效應(yīng)帶來的表面質(zhì)量不佳等問題。近期,，江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院劉禹教授,、團(tuán)隊(duì)博士生研究生彭帥和中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所王曉龍教授團(tuán)隊(duì)在《極端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同發(fā)表《Ultra-fast 3D Printing of Assembly – free Complex Optics with Sub-nanometer Surface Quality at Mesoscale》的研究論文，提出利用斷層掃描體積打印技術(shù)與彎月面平衡后固化工藝相結(jié)合,，在實(shí)現(xiàn)高速打�,。�3.1 × 104 mm3 h−1）的同時(shí)保證打印結(jié)構(gòu)亞納米級（RMS = 0.3340 nm）的表面質(zhì)量。

研究背景
光學(xué)器件因具有良好的照明,、傳感,、光調(diào)制和顯示能力可以直接應(yīng)用于傳感器、全息圖重建,、人機(jī)交互和其他光電子器件,。光學(xué)器件的傳統(tǒng)制造方法主要包括超精密加工,、鑄造和注射成型。然而,，目前主流的加工技術(shù)造價(jià)昂貴,、工序繁多、自由度低,，限制了光學(xué)器件的進(jìn)一步發(fā)展,。

最近，3D打印在制造高度復(fù)雜形貌光學(xué)器件引起了極大的關(guān)注,。與基于點(diǎn)作為基本制造單元的雙光子聚合（TPP）,、熔融沉積成型（FDM）、直接墨水書寫（DIW）和立體光刻（SLA）相比,，使用以層作為基本制造單元的數(shù)字光處理技術(shù)（DLP）被認(rèn)為是高速制造聚合物鏡片的一種更有效方法,。然而，大約90%的加工時(shí)間被消耗在重新涂抹新的光固化樹脂,，以確保各層之間的均勻性,。連續(xù)液體界面打印（CLIP）工藝,，消除了耗時(shí)的重新涂抹步驟,，提供了一個(gè)大幅提高制造速度的機(jī)會(huì)。然而,，盡管CLIP極大地提高了打印速度,，但打印結(jié)構(gòu)的表面質(zhì)量在一定程度上仍然受到階梯效應(yīng)的限制。

為了解決復(fù)雜光學(xué)器件制造速度與打印結(jié)構(gòu)表面質(zhì)量的問題,，彭帥等人探討了利用TVP工藝來進(jìn)一步提高復(fù)雜光學(xué)鏡片制造速度的可行性,。如圖1所示，TVP技術(shù)首先在幾十秒鐘內(nèi)生成透鏡結(jié)構(gòu),。從樹脂容器中取出制造的物體后,，其表面上殘留的樹脂膜被進(jìn)一步固化，以獲得亞納米級的超光滑表面,。所打印的光學(xué)鏡片可直接裝在手機(jī)鏡頭上進(jìn)行微小特征的觀測,。

圖1. TVP系統(tǒng)打印示意圖。(a) TVP系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,。(b) TVP打印過程圖,。一個(gè)厘米級的平凸透鏡在幾十秒內(nèi)打印完成。

最新進(jìn)展
作者對比了三種不同光固化技術(shù)制造同一透鏡模型的表面形貌特征和打印時(shí)間,。如圖2(a-c)所示,，通過層層疊加進(jìn)行實(shí)體制造的SLA和DLP需要輔助支撐方可進(jìn)行打印，后續(xù)的去除支撐過程也會(huì)破壞表面形貌,，而TVP打印在高粘度樹脂中進(jìn)行,，無需支撐即可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的一體化成型,。如圖2(d)所示，TVP在打印效率方面占有絕對的優(yōu)勢,，幾十秒即可實(shí)現(xiàn)厘米級透鏡的打印,。如圖2(e-h)所示，通過SLA和DLP打印的結(jié)構(gòu)表面都有階梯效應(yīng),，這影響了其表面質(zhì)量,。而TVP一體化的打印則避免了階梯效應(yīng)，成功制備高表面質(zhì)量的光學(xué)透鏡,。

圖2. 用不同的光固化打印技術(shù)制造同一透鏡的表面形貌特征和打印時(shí)間比較,。(a)-(c) SLA、DLP和TVP打印的相同模型,。(d) 使用不同的光固化打印技術(shù)制造0.5×(16.1 mm3),、1×(128.6 mm3)和1.5×(434.1 mm3)比例的透鏡所需時(shí)間對比。(e)-(g) SLA,、DLP和TVP制作的透鏡在彎月面平衡后固化之前的SEM圖像,。(h) 是(g)的放大視圖。

為了驗(yàn)證彎月面平衡后固化工藝在提高TVP打印結(jié)構(gòu)表面質(zhì)量的作用,，作者對比了有無后固化處理的透鏡結(jié)構(gòu)的三維形貌,。如圖3(a-g)所示,，TVP結(jié)合彎月面平衡后固化工藝的透鏡表面可以達(dá)到亞納米級表面粗糙度（RMS=0.3340nm,，Sa=0.4898nm）。圖4(f-g)橫截面輪廓顯示出±4 nm內(nèi)的變化,，表明此工藝制造的光學(xué)鏡片非常適合光學(xué)應(yīng)用,。圖3(h-j)展示了用異丙醇去除打印結(jié)構(gòu)表面樹脂后的三維形貌，可以看出RMS高達(dá)75.42nm,。

圖3. TVP打印透鏡的三維形貌,。(a)光學(xué)表面輪廓儀捕捉到的表面形態(tài)。(b) 區(qū)域I和(c)區(qū)域II的放大表面形態(tài),。(d) 區(qū)域I和(e)區(qū)域Ⅱ的三維粗糙度分布,。(f)橫截面A-A'和(g) B-B'剖面圖。(h)TVP制造的無后固化處理的透鏡的三維形貌,。(i)區(qū)域Ⅲ的三維粗糙度分布,。(j)截面C-C'剖面圖。

為了體現(xiàn)TVP打印的高自由度,，如圖4(a-d)所示,，作者還打印了更多復(fù)雜結(jié)構(gòu)的光學(xué)透鏡，甚至是透鏡組的一體化打印,。圖4(e-h)展示了復(fù)雜形貌透鏡具有一定的功能性,。

圖4. 制造復(fù)雜形貌的透鏡,。(a-c) 復(fù)雜形貌透鏡。(d) 透鏡組的一體化打印,。(e) 實(shí)驗(yàn)光學(xué)系統(tǒng)的示意圖被用證明復(fù)雜鏡片的功能特性,。(f) 沒有經(jīng)過打印鏡片的綠色激光筆的成像。(g) 綠色激光穿過(a)中Y軸后的成像,。(h) 綠色激光穿過(c)中Z軸后的成像,。

為了證明TVP打印鏡片的成像特性，圖5(a)中的實(shí)驗(yàn)裝置使用了一個(gè)分辨率測試目標(biāo),，它有從0到+7的8組圖案,。圖5(b)顯示了由CCD捕獲的目標(biāo)圖像。從圖6(c)可以看到第3組第6單元的條形,。圖5(d-g)所示,，TVP打印的球面透鏡可以直接安裝到一個(gè)智能手機(jī)上，拍攝了Arduino Mega 2560表面的兩張放大圖像,，可以直觀地看到焦點(diǎn)中的電學(xué)元件和寬度為500μm的導(dǎo)線,。作者采用了圖6(i)的坐標(biāo)線作為對象。將打印的類復(fù)眼透鏡直接安裝在圖6(h)所示的智能手機(jī)上,，可以觀察到兩個(gè)模糊的坐標(biāo)線,。測試結(jié)果證實(shí)，TVP打印的透鏡可以有效地應(yīng)用在商用智能手機(jī)上,，提供高質(zhì)量的圖像,。

圖5. TVP打印透鏡的成像特性。(a) 表征TVP打印定制鏡頭的成像性能的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖,。(b) 嵌入打印透鏡拍攝分辨率測試目標(biāo)的圖像,。(c) 第2組和第3組的特寫視圖。(d) 使用球面透鏡的設(shè)置示意圖,。(e) 不使用透鏡的智能手機(jī)拍攝的電路板圖像,。(f)-(g) 使用球面透鏡從(e)中捕捉到的兩個(gè)放大的圖像。(h) 使用類復(fù)眼鏡頭的裝置示意圖,。(i) 不使用透鏡和(j)使用類復(fù)眼透鏡的智能手機(jī)拍攝的刻有坐標(biāo)的板的圖像,。

未來展望
TVP技術(shù)是一種超高速的打印方式，再結(jié)合彎月面平衡后固化技術(shù)勢必在光學(xué)制造領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用,。其前景主要包括以下幾個(gè)方面：盡管TVP能實(shí)現(xiàn)超高速的打印進(jìn)程,，但是它的精度與超精密加工還有一定距離，為了實(shí)現(xiàn)高精度的器件制造,，算法模擬和材料配比需要進(jìn)一步配合,；目前用于TVP的大多是透明材料,為了實(shí)現(xiàn)多功能的耦合，未來還要繼續(xù)探索多材料的TVP技術(shù),；TVP技術(shù)目前只能打印厘米尺度結(jié)構(gòu),，未來要開拓大尺度結(jié)構(gòu)打印方法,。在解決這些問題之后，TVP必將成為各制造領(lǐng)域的強(qiáng)大工具,。

作者簡介

劉禹 教授

劉禹教授是江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授,、博導(dǎo)。曾入選海外高層次人才引進(jìn)計(jì)劃青年項(xiàng)目,、江蘇省雙創(chuàng)人才高校創(chuàng)新計(jì)劃以及無錫市百名科技之星,。主要從事功能器件增材制造、微納制造,、精密測量研究工作,，承擔(dān)了國家、省部級等多個(gè)項(xiàng)目/課題,。研究成果在高水平學(xué)術(shù)期刊如《Nat. Comms.》,、《Adv. Mater.》、《Addi. Manu.》等發(fā)表論文100余篇,。授權(quán)國內(nèi)外發(fā)明專利80余項(xiàng),；技術(shù)成果曾獲得江蘇省科學(xué)技術(shù)二等獎(jiǎng)、Xerox Achievement Awards等,。擔(dān)任中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)極端制造分會(huì)委員,、中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)增材制造分會(huì)委員、《Int. J. Extrem. Manuf.》青年編委,、《Nanotech. Precis. Eng.》(NPE)青年編委,，多次受邀學(xué)科領(lǐng)域國內(nèi)外學(xué)術(shù)會(huì)議開展學(xué)術(shù)報(bào)告或擔(dān)任分會(huì)主席，以及作為領(lǐng)域知名期刊評審,。

王曉龍 研究員

王曉龍,，中科院蘭州化學(xué)物理研究所研究員，石河子大學(xué)“綠洲學(xué)者”講座教授,。1999年和2007年在蘭州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院分別獲得學(xué)士和博士學(xué)位；2010-2011,，香港理工大學(xué)研究助理,；2012-2013，加拿大西安大略大學(xué)訪問學(xué)者,；2014年入選中科院“西部之光”人才培養(yǎng)計(jì)劃,；“十四五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“增材制造與激光制造”重點(diǎn)專項(xiàng)項(xiàng)目首席科學(xué)家。中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)增材制造分會(huì)委員,，甘肅省材料學(xué)會(huì)理事,，《Coatings》、《摩擦學(xué)學(xué)報(bào)》等雜志編委,；曾獲2021年IAAM Scientist Award（國際先進(jìn)材料協(xié)會(huì)科學(xué)家獎(jiǎng)）,，甘肅省專利獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)（第一發(fā)明人）,，甘肅省醫(yī)學(xué)科技獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)（第二完成人）。研究領(lǐng)域主要包括3D打印新材料及功能器件,、仿生摩擦與潤滑和材料表界面工程等,，在《Adv. Mater.》，《Adv. Funct. Mater.》,，《Small》等期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文120余篇,，獲授權(quán)中國發(fā)明專利30余件、美國專利2件,。