佛羅里達大學：靜態(tài)液體約束界面立體光刻技術

來源： EngineeringForLife

傳統(tǒng)的立體光刻技術3D打印技術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械干預，如拉動和滑動。由此產(chǎn)生的分離力與聚合面積成正比，會損壞打印物體結構并降低可靠性。巨大的機械分離力限制了可打印的幾何形狀，并且對于懸空結構需要添加支撐，導致加工可靠性差，限制了零件的幾何設計空間。

近期，來自美國佛羅里達大學的Toshikazu Nishida教授團隊在Communication materials上發(fā)表了題為“High-resolution stereolithography using a static liquid constrained interface”的文章，通過使用樹脂下面的靜態(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程中起著脫濕界面的作用，在連續(xù)打印過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脂性能。文章展示了從16μm到數(shù)千微米的多尺度微結構，以及在無支撐的情況下打印長寬比大于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

液體樹脂的光聚合發(fā)生在與樹脂不混溶的惰性液體的界面附近，固定在樹脂下方的惰性液體起約束界面的作用，類似于固體界面，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光下，只有樹脂經(jīng)過交聯(lián)化學反應形成固體聚合物，而惰性液體保持不變。惰性液體具有化學惰性，對于聚合光的波長透明，比樹脂密度高，與樹脂高度不混溶，表面能低等特點。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。用氮氣降低氟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，物體的機械分離力幾乎為零。因此，液體約束界面為制造大截面面積的結構提供了顯著的優(yōu)勢。在打印大懸空和高長寬比的微觀結構時，使用固體約束界面時由于粘結力的作用，這些結構很容易失效。通過降低惰性液體的粘度或通過降低拉出速度來減小脫濕距離。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脂特性對成型時間的影響。

圖3 離散打印中不同條件對橫向分辨率的影響

使用靜態(tài)液體界面,文章演示了各種微器件的制造。如1mm高的螺旋線圈,柱子和漏斗；密集通道陣列(深1 mm，直徑75μm的孔，最小實壁寬度16μm)；直徑從50μm到500μm的通道陣列；1.5 mm長、60μm寬的懸伸梁，以及快速制造電熱致動器等功能式微機電系統(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程減輕了機械分離力，從而實現(xiàn)了具有無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，也可以應用到包括生物醫(yī)學設備、MEMS傳感器和驅動器、微型機器人、射頻組件、電子封裝等多個領域。

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