基于面投影微立體光刻技術(shù)（PμSL）的3D打印

來源： PuSL高精密3D打印

面投影微立體光刻（Projection Micro Stereolithography, PμSL）是一種面投影光固化3D打印技術(shù)，適用于制作微尺度的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)，有著高分辨率、高精度、跨尺度加工、適用材料廣、加工效率高、加工成本低等諸多特點。本文將從成型原理、最小加工特征尺寸、最大成型幅面、適配打印材料、與其他3D打印技術(shù)的對比、產(chǎn)業(yè)化技術(shù)創(chuàng)新等方面，對這一技術(shù)進行詳細介紹。

圖1 基于PμSL3D打印技術(shù)制作的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)示例

一、成型原理
圖2所示為PμSL 3D打印技術(shù)的成型過程，首先使用建模軟件構(gòu)建出三維結(jié)構(gòu)模型；接著使用切片軟件對三維模型以一定大小的層厚進行切片處理，得到一系列具有特定圖案的二維圖片；然后采用PμSL 3D打印系統(tǒng)對切片后的每一層圖案進行整面投影曝光；反復(fù)重復(fù)上一步驟并層層堆疊最終成型出所需的三維結(jié)構(gòu)。

圖2 PμSL3D打印技術(shù)成型過程

PμSL3D打印技術(shù)成型三維結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵在于光敏樹脂材料在紫外光的作用下發(fā)生光聚合反應(yīng)從而固化，而特定圖形的產(chǎn)生則依賴于打印系統(tǒng)中的DMD（Digital Micromirror device）芯片所生成的數(shù)字動態(tài)掩模。如圖3所示，切片后的模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入到打印系統(tǒng)后，這些二維圖像數(shù)據(jù)發(fā)送至DMD，DMD根據(jù)圖像數(shù)據(jù)控制芯片上各個微鏡（即DMD上的每一像素點）的偏轉(zhuǎn)。因此，光源發(fā)出的紫外光在到達DMD后將重新整形生成與圖形數(shù)據(jù)一致的光。最后，經(jīng)調(diào)制后的光通過最終物鏡投影至液態(tài)樹脂材料表面，對特定區(qū)域進行選擇性曝光從而生成特定結(jié)構(gòu)。此外，打印系統(tǒng)還可通過打印平臺的移動，拼接打印出大幅面的圖形結(jié)構(gòu)。

圖3 典型的PμSL3D打印系統(tǒng)

二、最小加工特征尺寸
通過控制投影物鏡的微縮倍率，PμSL 3D打印技術(shù)可以實現(xiàn)幾微米甚至幾百納米的特征尺寸。深圳摩方材料科技有限公司（以下簡稱“摩方”）基于在這一技術(shù)領(lǐng)域的多年沉淀，自主研發(fā)出了一系列PμSL3D打印系統(tǒng)，已經(jīng)量產(chǎn)的產(chǎn)品最高光學分辨率可達2 μm（這里提到的光學分辨率是指投影光單個像素點的大小）。借助這一高分辨系統(tǒng)，2 μm線寬二維網(wǎng)格線條和8.5 μm桿徑三維點陣得以實現(xiàn)（圖4）。

圖4 摩方3D打印系統(tǒng)打印的2 μm線寬二維線條和8.5 μm桿徑三維點陣

三、最大成型幅面
PμSL技術(shù)采用整面曝光，其中曝光圖形由DMD控制產(chǎn)生。因此，一般情況下，PμSL 3D打印系統(tǒng)的最大成型幅面取決于光學分辨率大小以及DMD像素點數(shù)量，DMD成像芯片尺寸固定，通過投影鏡頭只能實現(xiàn)固定的投影幅面。最大成型幅面與系統(tǒng)光學分辨率呈矛盾關(guān)系，即當提高系統(tǒng)光學分辨率時，其最大成型幅面相應(yīng)減小。拼接技術(shù)很好地解決了這一矛盾，使得高分辨、大幅面、跨尺度打印得以實現(xiàn)。以摩方PμSL3D打印系統(tǒng)為例，固定投影打印與拼接打印的幅面如表1所示。

表1 固定投影打印與最大打印幅面對比

四、適配打印材料
PμSL3D打印技術(shù)的加工成型基于材料的光聚合，因此其打印材料為光敏樹脂材料。針對不同應(yīng)用需求，硬性樹脂、韌性樹脂、耐高溫樹脂、生物兼容性樹脂、柔性樹脂、透明樹脂、水凝膠等諸多樹脂材料已商業(yè)化。除上述純樹脂材料以外，功能顆粒摻入樹脂中形成的復(fù)合樹脂材料同樣可用于打印，如磁性顆粒復(fù)合樹脂、陶瓷顆粒復(fù)合樹脂、金屬顆粒復(fù)合樹脂等。

五、與其他3D打印技術(shù)的對比
表2是PμSL技術(shù)與其他3D打印技術(shù)規(guī)格的對比，主要基于已商業(yè)化產(chǎn)品的規(guī)格對比。熔融沉積成型和聚合物噴射光固化是目前較廣泛的兩種3D打印技術(shù)，可實現(xiàn)大尺寸結(jié)構(gòu)的加工成型，但其精度相對較低。激光逐點掃描光固化和雙光子激光直寫技術(shù)則可實現(xiàn)非常高的分辨率，然而逐點掃描加工的特性極大地限制了其成型速度。此外，雙光子激光直寫技術(shù)的成型尺寸通常在毫米級。相較而言，PμSL3D打印技術(shù)很好地平衡了高精度、高速度、大幅面的特點。

表2 PμSL技術(shù)與其他3D打印技術(shù)的對比

六、產(chǎn)業(yè)化技術(shù)創(chuàng)新
相較于實驗室技術(shù)，工業(yè)市場對這一技術(shù)提出了更多更高要求，包括更廣泛的功能性打印材料、更大的打印幅面、更穩(wěn)定的公差控制等方面。深圳摩方材料科技有限公司在這一技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化上進行了諸多工業(yè)級技術(shù)創(chuàng)新，例如增加氣泡消除系統(tǒng)、激光測距、加熱打印等創(chuàng)新功能，用以進一步提高打印質(zhì)量、精密控制加工公差、拓寬打印材料的范圍，以滿足精密工業(yè)設(shè)計和制造的需求。

本文對PμSL這一高精度、高速度、大幅面的三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)成型加工技術(shù)進行了簡要介紹，這一技術(shù)適用于復(fù)雜精密結(jié)構(gòu)一次成型、快速原型器件驗證、小批量功能部件加工等，可用于多個應(yīng)用領(lǐng)域。