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(lái)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(lái)自美國(guó)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(guò)使用樹(shù)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(guò)程中起著脫濕界面的作用，在連續(xù)打印過(guò)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(shù)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(wú)支撐的情況下打印長(zhǎng)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(shù)脂的光聚合發(fā)生在與樹(shù)脂不混溶的惰性液體的界面附近，固定在樹(shù)脂下方的惰性液體起約束界面的作用，類(lèi)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(xiàn)光下，只有樹(shù)脂經(jīng)過(guò)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(zhǎng)透明，比樹(shù)脂密度高，與樹(shù)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�化油惰性液體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(zhǎng)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(guò)降低惰性液體的粘度或通過(guò)降低拉出速度來(lái)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(méi)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(shù)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(xiàn)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(zhǎng)、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(guò)程減輕了機(jī)械分離力，從而實(shí)現(xiàn)了具有無(wú)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。

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