基于投影微立體光刻的3D打印技術(shù)及其應(yīng)用

來源： IJEM，《極端制造》2020年第2期文章，
作者葛锜、李志琴、王兆龍、Kavin Kowsari、張旺、何向楠、周建林、Nicholas X Fang

導(dǎo)讀
投影微立體光刻(Projection Micro Stereolithography – PμSL)是一種基于面投影光固化原理的高精度（最高可達(dá)0.6微米）增材制造（3D打印）技術(shù)。該技術(shù)可以用于制造具有跨尺度與多材料特性的高精度復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)，在力學(xué)超材料、光學(xué)器件、4D打印、仿生材料及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。南方科技大學(xué)、深圳摩方材科技有限公司、湖南大學(xué)、麻省理工學(xué)院等單位的葛锜、李志琴、王兆龍、周建林、Nicholas X Fang等作者在《極端制造》期刊（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上發(fā)表《基于投影微立體光刻的3D打印技術(shù)及其應(yīng)用》綜述，系統(tǒng)介紹了投影微立體光刻3D打印技術(shù)的研究背景、最新進(jìn)展及未來展望。

研究背景
增材制造，又稱3D打印，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，將部件離散成二維圖形或者路徑，通過逐層疊加的方式構(gòu)造三維物體的快速成型技術(shù)。對比于傳統(tǒng)制造方法，3D打印因具有制造高精度復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)、節(jié)省材料、方便快捷等優(yōu)點，已被應(yīng)用到航空航天、生物醫(yī)療、電子、汽車等國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域。自被發(fā)明以來，3D打印發(fā)展出了各種不同的技術(shù)，包括熔融沉積成型(FDM)、墨水直寫(DIW)、噴墨(Inkjet)、立體光刻(SLA)、選區(qū)激光燒結(jié)/熔融(SLS/SLM)、雙光子(TPP)，以及基于數(shù)字光處理(DLP)的連續(xù)液體界面制造(CLIP)、大面積快速打印(HARP)、投影微立體光刻技術(shù)(PμSL)等。對比于其他3D打印技術(shù)，投影微立體光刻技術(shù)因其可同時實現(xiàn)高分辨率與大幅面3D打印（圖1），被應(yīng)用于前沿領(lǐng)域的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)制造，并產(chǎn)生了一系列具有影響力的科研成果。南方科技大學(xué)葛锜副教授、湖南大學(xué)王兆龍助理教授與麻省理工學(xué)院Fang教授團(tuán)隊聯(lián)合深圳摩方材科技有限公司針對投影微立體光刻3D打印技術(shù)在最近所做的相關(guān)代表性工作逐一地進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

圖1 不同3D打印技術(shù)的打印精度與幅面范圍

最新進(jìn)展
投影微立體光刻是一種通過將構(gòu)成三維模型的二維離散圖案投影到光敏樹脂表面，激發(fā)局部光固化反應(yīng)的方式，逐層疊加成型三維結(jié)構(gòu)的3D打印技術(shù)。通過對光路系統(tǒng)、光源以及打印工藝的優(yōu)化，最高打印精度可達(dá)到0.6微米。面投影微立體光刻因其能夠快速一體化成型高精度、跨尺度、多材料復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)，在力學(xué)超材料、光學(xué)器件、4D打印、仿生材料以及生物醫(yī)藥方面應(yīng)用廣泛。深圳摩方科技有限公司將原有投影微立體光刻3D打印技術(shù)進(jìn)行發(fā)展與升級（圖2a），并成功地將其轉(zhuǎn)化為工業(yè)級3D打印裝備，實現(xiàn)了穩(wěn)定的超高精度-大幅面3D打印（精度：2微米，幅面：50毫米×50毫米；精度：10微米精度，幅面：94毫米×52毫米幅面），用于力學(xué)超材料、生物醫(yī)療器件、微力學(xué)器件及精密結(jié)構(gòu)件等工業(yè)應(yīng)用（圖2b-j）。

圖2 投影微立體光刻3D技術(shù)及其相關(guān)工業(yè)級應(yīng)用。（a）高精度-大幅面投影微立體光刻3D打印技術(shù)原理；（b）-（j）工業(yè)級應(yīng)用典型案例。

在實現(xiàn)跨尺度、多材料3D打印方面，采用面投影與圖形掃描技術(shù)相結(jié)合的方法實現(xiàn)了跨尺度3D打印(圖3a)，采用吹氣輔助投影微立體光刻法(圖3b)與流體控制法(圖3c)實現(xiàn)了多材料三維結(jié)構(gòu)的快速打印。

圖3 跨尺度、多材料3D打印。（a）面投影與圖形掃描結(jié)合實現(xiàn)跨尺度3D打�。唬╞）吹氣輔助多材料3D打�。唬╟）流體控制輔助多材料3D打印。

在實現(xiàn)力學(xué)超材料方面，通過投影微立體光刻3D打印技術(shù)一次成型以拉壓變形占主導(dǎo)的八隅體桁架結(jié)構(gòu)超輕-超硬力學(xué)超材料（圖4a），通過多材料投影微立體光刻3D打印技術(shù)一次成型由兩種不同剛度和熱膨脹系數(shù)材料構(gòu)成的負(fù)熱膨脹系數(shù)超材料（圖4b）。

圖4 力學(xué)超材料。（a）超輕-超硬力學(xué)超材料；（b）負(fù)熱膨脹系數(shù)超材料。

在光學(xué)器件打印方面，采用面投影立體光刻灰度曝光與表面浸潤相結(jié)合的方法，實現(xiàn)光學(xué)鏡頭的3D打�。▓D5a），以及振動輔助與灰度曝光相結(jié)合的方法，實現(xiàn)表面納米級光滑度的微透鏡陣列3D打印（圖5b）。

圖5 光學(xué)器件。（a）灰度曝光與表面浸潤相結(jié)合實現(xiàn)光學(xué)鏡頭3D打�。唬╞）振動輔助與灰度曝光結(jié)合實現(xiàn)微透鏡陣列3D打印。

在4D打印方面，通過開發(fā)形狀記憶光敏樹脂，實現(xiàn)了大變形4D打�。▓D6a）、多材料4D打�。▓D6b）、自修4D打印（圖6c），4D打印超材料結(jié)構(gòu)（圖6d）與4D打印吸能結(jié)構(gòu)（圖6e）等案例。

圖6 4D打印。（a）大變形4D打印；（b）多材料4D打印；（c）自修4D打印;（d）4D打印超材料結(jié)構(gòu)；（e）4D打印吸能結(jié)構(gòu)。

未來展望
盡管面投影微立體光刻3D打印技術(shù)在近年來取得了快速的發(fā)展，但仍面臨著如海量的圖片數(shù)據(jù)傳輸與存儲、多材料體素打印精確控制、高精度陶瓷打印等問題，亟待解決。

作者簡介

葛锜博士，南方科技大學(xué)機械與能源工程系長聘副教授。長期從事面投影微立體光刻3D打印技術(shù)研究，主要研究領(lǐng)域為4D打印、多功能3D打印、軟物質(zhì)力學(xué)、軟體機器人、柔性電子等。

王兆龍博士，湖南大學(xué)機械與運載工程學(xué)院助理教授，長期從事微立體光刻3D打印，光學(xué)超材料及微流與熱控理論及技術(shù)研究，先后參與包括重點國際（地區(qū)）合作研究項目及國家重點研發(fā)計劃在內(nèi)的多項國家自然科學(xué)基金和科技部重點研發(fā)項目。目前承擔(dān)湖南省優(yōu)秀青年基金及廣東省重點領(lǐng)域研發(fā)計劃等多項科研項目。

Nicholas X. Fang博士，麻省理工學(xué)院機械系教授，長期從事包括微立體光刻3D打印技術(shù)在內(nèi)的微納技術(shù)研究，研究領(lǐng)域包括納米光學(xué)、聲學(xué)超材料、微納制造、軟物質(zhì)等。