分辨率高達(dá)1.5微米，斯坦福大學(xué)推出micro-CLIP 3D 打印技術(shù)

2023年1月17日，南極熊獲悉，來(lái)自斯坦福大學(xué)的研究人員進(jìn)行了一項(xiàng)關(guān)于增材制造精細(xì)加工的研究，這增加了使用增材制造構(gòu)建微觀結(jié)構(gòu)的新興范式轉(zhuǎn)變，以徹底改變醫(yī)學(xué)和能源儲(chǔ)存等領(lǐng)域的設(shè)備設(shè)計(jì)。

該項(xiàng)研究以題為“Single-digit-micrometer-resolutioncontinuous liquid interface production/個(gè)位數(shù)微米級(jí)分辨率的連續(xù)液體界面生產(chǎn)”的論文被發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》期刊上。

相關(guān)論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq2846

這項(xiàng)研究描述了工程師解決增材制造中多種微細(xì)加工問(wèn)題的新方法，并使3D打印物體的特征小到1.5微米，僅有紅細(xì)胞的五分之一大小。這項(xiàng)被稱(chēng)為micro-CLIP的新興個(gè)位數(shù)微米級(jí)打印技術(shù)允許制造比商業(yè)CLIP打印機(jī)小50倍的零件特征，同時(shí)保留了商業(yè)打印機(jī)的高打印速度，比其他適合微細(xì)加工的 "先進(jìn) "高分辨率3D打印方法快100倍以上。

△基于微米級(jí)CLIP技術(shù)的3D打印機(jī)設(shè)置示意圖和打印過(guò)程。圖片來(lái)自《科學(xué)進(jìn)展》

研究亮點(diǎn)

在這研究中，研究人員開(kāi)發(fā)并制作了一個(gè)由管狀透鏡和顯微鏡物鏡組成的定制投影透鏡系統(tǒng)，以達(dá)到個(gè)位數(shù)微米的分辨率。此外，由于高倍率顯微鏡物鏡的景深極窄（幾十微米），該團(tuán)隊(duì)使用了一種聚焦算法，其中包括一個(gè)在線(xiàn)分光器和一個(gè)可定制的管狀透鏡，用CCD相機(jī)可視化投影圖案。

為了找到最佳焦平面位置，研究團(tuán)隊(duì)采用了基于對(duì)比度的算法和數(shù)字設(shè)計(jì)的網(wǎng)狀圖案。該團(tuán)隊(duì)引用了最佳清晰度位置，并在掃描了400微米的深度并評(píng)估了通焦投影圖像堆后，用實(shí)際打印結(jié)果確認(rèn)了性能。據(jù)該團(tuán)隊(duì)稱(chēng)，這種基于對(duì)比度的聚焦系統(tǒng)，解決了從高倍率投影光學(xué)器件聚焦到窄景深的挑戰(zhàn)，并使他們能夠毫不費(fèi)力地重新調(diào)整到理想焦平面。

研究人員利用尺寸從4.5到135微米不等的孔和線(xiàn)圖案，評(píng)估了基于CLIP的3D打印機(jī)的分辨率性能，其分辨率為個(gè)位數(shù)微米級(jí)別。盡管光學(xué)分辨率被開(kāi)發(fā)為1.5微米，但被反復(fù)成功打印的最小特征是18微米的孔和6微米的線(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn)，樹(shù)脂配方、設(shè)計(jì)圖案、光學(xué)分辨率、打印策略以及最后的清洗策略對(duì)打印機(jī)分辨率和打印性能有很大影響。

在此之后，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一個(gè)模擬模型，以提供對(duì)CLIP打印過(guò)程的更深理解，以及為不同的設(shè)計(jì)和材料創(chuàng)建最佳打印策略的方向。該模型包括通過(guò)用高斯分布估計(jì)的PSF對(duì)投影光學(xué)的光學(xué)模擬，以及對(duì)動(dòng)量傳輸和流場(chǎng)的潤(rùn)滑理論預(yù)測(cè)。它還包括固化高度、氧氣濃度梯度和光聚合動(dòng)力學(xué)建模，以評(píng)估死區(qū)厚度。

研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的模擬模型為如何提高打印工藝提供了見(jiàn)解，如使用分步打印策略（例如，停止-移動(dòng)-曝光）以實(shí)現(xiàn)有效的樹(shù)脂回流，并估計(jì)必要的層間力矩以消除樹(shù)脂對(duì)流引起的印刷假象。該模型還估計(jì)了為保持恒定的打印死區(qū)所需的參數(shù)（氧氣擴(kuò)散系數(shù)和光強(qiáng)度）。最后，研究團(tuán)隊(duì)展示了使用基于CLIP的個(gè)位數(shù)微米分辨率的3D打印機(jī)的3D打印，以及使用粘性彈性材料打印的能力。

△用于優(yōu)化投影焦平面的基于對(duì)比度的對(duì)焦算法。圖片來(lái)自斯坦福大學(xué)

微米級(jí)3D打印技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

此前，位于特拉維夫的精密增材制造技術(shù)開(kāi)發(fā)商N(yùn)anofabrica公司推出了兩款具有微米級(jí)分辨率的工業(yè)3D打印機(jī)，即車(chē)間系統(tǒng)和工業(yè)系統(tǒng)。這兩個(gè)系統(tǒng)都采用了該公司的專(zhuān)利工藝，它是以數(shù)字光處理（DLP）引擎為基礎(chǔ)，同時(shí)采用了自適應(yīng)光學(xué)（AO）技術(shù)，該技術(shù)用于增強(qiáng)望遠(yuǎn)鏡等光學(xué)設(shè)備的圖像差異。這項(xiàng)技術(shù)旨在用于醫(yī)療、汽車(chē)、航空航天、光學(xué)和半導(dǎo)體行業(yè)，開(kāi)發(fā)具有微米和亞微米分辨率和表面光潔度的部件。

此外，法國(guó)超高分辨率3D打印機(jī)制造商Microlight3D發(fā)布了Altraspin亞微米級(jí)3D打印機(jī)。該機(jī)器的分辨率為0.2μm，比人類(lèi)頭發(fā)的厚度還要小100倍。Altraspin 3D打印機(jī)在微型機(jī)器人、生物工程和微傳感器領(lǐng)域大有用處，它的開(kāi)發(fā)是為了滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的亞微米制造的需求。該公司首席執(zhí)行官Denis Barbier評(píng)論說(shuō)："Microlight3D設(shè)計(jì)Altraspin是為了應(yīng)對(duì)制造業(yè)對(duì)更多的定制和亞微米零件的快速成型的需求，這些零件不受幾何或有機(jī)形狀的限制。"