AOM: 超高速3D打印個性化定制光學器件

來源：MaterialsViews

3D打印技術(shù)由于在復雜三維結(jié)構(gòu)制造、快速個性化定制等方面的獨特優(yōu)勢，近年來受到國內(nèi)外學者的高度關(guān)注。然而在光學領(lǐng)域，由于3D打印技術(shù)逐層堆疊所導致的層間“臺階”狀粗糙表面，所制造的器件表面粗糙度遠高于可見光波長（400-700 nm），基本無法應(yīng)用于光學成像。使用納米級分辨率的飛秒3D打印技術(shù)雖然可以滿足打印精度的要求，但極大的犧牲了打印速度。制造毫米尺寸的光學透鏡往往需要數(shù)天甚至數(shù)周的時間才能完成，難以滿足光學器件高速個性化定制的需求。


針對上述問題，美國西北大學孫誠教授團隊近日提出了一種基于微連續(xù)液態(tài)界面成形技術(shù)（Micro-continuous Liquid Interface Production, μCLIP）的光學透鏡超高速3D打印方法。孫教授表示：“雖然我們之前利用面投影微立體光刻技術(shù)（PμSL），結(jié)合了灰度曝光以及彎液面表面修飾技術(shù)，實現(xiàn)了表面粗糙度小于7 nm的光學透鏡的增材制造。盡管我們將光學透鏡3D打印的速度提升了四個量級（DOI: 10.1002/adma.201705683），但3D打印毫米尺寸的光學透鏡仍需花費數(shù)小時的時間。從實際應(yīng)用的角度，我們認為透鏡的制造速度仍有很大的提升空間?！?br />

孫教授團隊認為，在面投影微立體光刻3D打印透鏡過程中，為保證打印精度與表面質(zhì)量，往往選擇了5微米或者更薄的打印層。這樣大于90%打印時間被消耗在分層打印之間樣品臺的往復運動與等待液態(tài)光敏樹脂流平的過程。而微連續(xù)液態(tài)界面（μCLIP）成形技術(shù)，可以完全避免樣品臺的往復運動以及流平等待過程，從而極大提升3D打印效率。然而在初步試驗中，團隊發(fā)現(xiàn)連續(xù)液態(tài)界面成形技術(shù)中所廣泛使用的聚四氟乙烯（Teflon）膜表面粗糙、且存在不規(guī)則微尺度孔洞，這些表面缺陷將導致連續(xù)液態(tài)界面成形技術(shù)中固化“死區(qū)”內(nèi)氧氣分布不均勻，并最終導致所制造的器件表面呈現(xiàn)錐狀粗糙微結(jié)構(gòu)，無法滿足光學器件表面光潔度要求。


為解決該問題，團隊使用旋轉(zhuǎn)涂膜法制備了具有光滑表面的高透氧率聚二甲基矽氧烷（PDMS）薄膜，以替代微連續(xù)液態(tài)界面成形系統(tǒng)中的Teflon薄膜。實驗表明，所制備的PDMS薄膜與傳統(tǒng)Teflon薄膜相比，兩者透氧率與透光率近似，但PDMS薄膜表面質(zhì)量顯著高于Teflon薄膜。團隊使用PDMS薄膜對所設(shè)計的非球面透鏡進行了3D打印試驗，結(jié)合灰度曝光以及彎液面表面修飾技術(shù)，所制造的光學透鏡表面粗糙度僅為13.7 nm，具備3.10 微米的成像分辨力，完全滿足光學成像的應(yīng)用需求。

值得注意的是，使用微連續(xù)液態(tài)界面成形方法進行光學透鏡打印，速度達到4.85×103 mm3 h−1，較團隊之前所使用的面投影微立體光刻法提升了近200倍。與飛秒3D打印技術(shù)相比，速度提高了六個量級。打印3 mm高的光學透鏡僅需約2分鐘時間。孫教授表示：“微連續(xù)液態(tài)界面成形技術(shù)顯著提升了光學器件3D打印的速度，使快速個性化定制光學器件真正成為可能，該技術(shù)在自由曲面透鏡，生物醫(yī)用內(nèi)窺鏡，個性化定制隱形眼鏡與人工晶狀體等領(lǐng)域也具有廣闊的應(yīng)用前景?！?br />

上述研究近期發(fā)表于期刊Advanced Optical Materials（DOI: 10.1002/adom.201901646），論文通訊作者為美國西北大學孫誠教授，博士生邵廣斌（美國西北大學、哈爾濱工業(yè)大學），海日罕（美國西北大學）為論文共同第一作者。