斯坦福大学推出高速、微米级3D打印技术，为高精细增材制造开创新范式

时间：2023-01-18 09:36 来源：南极熊作者：admin 阅读：次

2023年1月17日，来自斯坦福大学的研究人员进行了一项关于增材制造精细加工的研究，这增加了使用增材制造构建微观结构的新兴范式转变，以彻底改变医学和能源储存等领域的设备设计。该项研究以题为“Single-digit-micrometer-resolutioncontinuous liquid interface production/个位数微米级分辨率的连续液体界面生产”的论文被发表在《科学进展》期刊上。

相关论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq2846

这项研究描述了工程师解决增材制造中多种微细加工问题的新方法，并使3D打印物体的特征小到1.5微米，仅有红细胞的五分之一大小。这项被称为micro-CLIP的新兴个位数微米级打印技术允许制造比商业CLIP打印机小50倍的零件特征，同时保留了商业打印机的高打印速度，比其他适合微细加工的 "先进 "高分辨率3D打印方法快100倍以上。

△基于微米级CLIP技术的3D打印机设置示意图和打印过程。图片来自《科学进展》

研究亮点

在这研究中，研究人员开发并制作了一个由管状透镜和显微镜物镜组成的定制投影透镜系统，以达到个位数微米的分辨率。此外，由于高倍率显微镜物镜的景深极窄（几十微米），该团队使用了一种聚焦算法，其中包括一个在线分光器和一个可定制的管状透镜，用CCD相机可视化投影图案。

为了找到最佳焦平面位置，研究团队采用了基于对比度的算法和数字设计的网状图案。该团队引用了最佳清晰度位置，并在扫描了400微米的深度并评估了通焦投影图像堆后，用实际打印结果确认了性能。据该团队称，这种基于对比度的聚焦系统，解决了从高倍率投影光学器件聚焦到窄景深的挑战，并使他们能够毫不费力地重新调整到理想焦平面。

研究人员利用尺寸从4.5到135微米不等的孔和线图案，评估了基于CLIP的3D打印机的分辨率性能，其分辨率为个位数微米级别。尽管光学分辨率被开发为1.5微米，但被反复成功打印的最小特征是18微米的孔和6微米的线。研究发现，树脂配方、设计图案、光学分辨率、打印策略以及最后的清洗策略对打印机分辨率和打印性能有很大影响。

在此之后，研究团队创建了一个模拟模型，以提供对CLIP打印过程的更深理解，以及为不同的设计和材料创建最佳打印策略的方向。该模型包括通过用高斯分布估计的PSF对投影光学的光学模拟，以及对动量传输和流场的润滑理论预测。它还包括固化高度、氧气浓度梯度和光聚合动力学建模，以评估死区厚度。研究团队开发的模拟模型为如何提高打印工艺提供了见解，如使用分步打印策略（例如，停止-移动-曝光）以实现有效的树脂回流，并估计必要的层间力矩以消除树脂对流引起的印刷假象。该模型还估计了为保持恒定的打印死区所需的参数（氧气扩散系数和光强度）。最后，研究团队展示了使用基于CLIP的个位数微米分辨率的3D打印机的3D打印，以及使用粘性弹性材料打印的能力。

△用于优化投影焦平面的基于对比度的对焦算法。图片来自斯坦福大学

微米级3D打印技术的发展现状

此前，位于特拉维夫的精密增材制造技术开发商Nanofabrica公司推出了两款具有微米级分辨率的工业3D打印机，即车间系统和工业系统。这两个系统都采用了该公司的专利工艺，它是以数字光处理（DLP）引擎为基础，同时采用了自适应光学（AO）技术，该技术用于增强望远镜等光学设备的图像差异。这项技术旨在用于医疗、汽车、航空航天、光学和半导体行业，开发具有微米和亚微米分辨率和表面光洁度的部件。

此外，法国超高分辨率3D打印机制造商Microlight3D发布了Altraspin亚微米级3D打印机。该机器的分辨率为0.2µm，比人类头发的厚度还要小100倍。Altraspin 3D打印机在微型机器人、生物工程和微传感器领域大有用处，它的开发是为了满足日益增长的亚微米制造的需求。该公司首席执行官Denis Barbier评论说："Microlight3D设计Altraspin是为了应对制造业对更多的定制和亚微米零件的快速成型的需求，这些零件不受几何或有机形状的限制。"

(责任编辑：admin)

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