用于均勻收縮 3D 打印微米和納米結構材料的拾取和放置工藝

來源：江蘇激光產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟

新加坡科技設計大學(SUTD)、湖南大學、湖南大學粵港澳大灣區(qū)創(chuàng)新研究院和新加坡國立大學研究團隊報道了一種用于均勻收縮 3D 打印微米和納米結構材料的拾取和放置工藝。相關研究以“Pick and place process for uniform shrinking of 3D printed micro- and nano-architected materials”為題發(fā)表在《Nature Communications》期刊上。

在增材制造技術中，雙光子聚合光刻技術（TPL）是有希望制造微米和納米級特征的技術之一，TPL技術具有極高設計自由度和超高精度的特點，有望制造定制的微納米級特征的三維結構，極大地促進了力學、微流體、微型機器人和生物學等領域的研究。此外，熱解收縮技術還能縮短三維光子晶體的晶格常數(shù)，提高其分辨率和機械性能。然而，由于加熱過程中的襯底固定，因此這種技術存在收縮不均勻的問題。到目前為止，沒有任何方法可以使得整個3D打印的均勻收縮。

研究人員報道了一種使用聚乙烯醇（PVA）作為功能層來實現(xiàn)3D打印結構均勻收縮的簡單方法。將3D打印結構從原基底上的 PVA 層剝離并轉(zhuǎn)移到接收基底上，使打印結構的基底與接收基底之間形成微弱的相互作用。PVA 是一種水溶性聚合物，可以在使用有機溶劑的顯影過程中存留，但很容易溶解于水，這意味著3D結構可以很容易地從原始基底上分離。隨后，對接收基底上的3D結構進行加熱和收縮。PVA 功能層是該方法的一個優(yōu)勢，可減輕結構與基底之間的粘附力。研究人員制作了具有各種微米級和納米級特征的結構，并在光學和電子顯微鏡下觀察到均勻收縮，從而證明了這一工藝的能力。

圖1：制造過程的概念和示意圖

研究人員測量了所制備結構的表面粗糙度、表面自由能和附著力，以了解均勻收縮的機制。研究人員展示了各種形狀和尺寸的3D打印樣品在沒有犧牲支撐結構的情況下成功實現(xiàn)均勻熱收縮的過程，并觀察到接收襯底的表面特性是實現(xiàn)均勻收縮的重要因素。

圖2：具有微觀特征的3D打印模型的均勻收縮

研究人員制作了一個由納米級特征尺寸組成的木堆光子晶體結構，以進一步檢驗該方法的能力。圖3顯示了不同基材上的打印和后處理木樁結構的SEM圖像，加熱到395°C并保持5分鐘。

圖3:不同基材上的收縮結果比較

圖 4 顯示了在明場反射照明下打印和后處理的木樁結構的掃描電鏡圖像和相應的光學圖像。

圖 4：后處理前后的光譜性能比較

此外，研究人員還打印了一個色彩豐富、不變形的三維吉祥物模型，然后對其進行均勻收縮，并縮小到70μm大小。利用無色木堆結構光子晶體產(chǎn)生了鮮艷的色彩。該研究所提出的方法在力學、光學和光子學等領域具有巨大的應用潛力。圖 5 中的明場和暗場照明下的反射光學圖像顯示了通過制備兩個版本（坐著和躺著），從不同角度觀察的打印時和打印后的3D吉祥物。

圖5：具有納米級特征的三維光子晶體吉祥物的均勻收縮

這項技術可輕松控制3D結構在任何形狀、尺寸、位置和方向上的均勻收縮，因此可用于制造具有納米級特征的高機械穩(wěn)定性的3D結構。拾取和放置工藝進一步實現(xiàn)了3D打印光學元件與接收基板上相關設備的集成。