盤點(diǎn)：國(guó)內(nèi)外微納級(jí)、納米級(jí)3d打印技術(shù)和廠商

無(wú)論是桌面級(jí)還是工業(yè)級(jí)，常見(jiàn)的3D打印機(jī)工作原理都是分層制造，這使得層與層之間的精度很受限，存在所謂的“臺(tái)階效應(yīng)”。這使得3D打印機(jī)難以制造高精度的器件，如各種光學(xué)元件、微納尺度的結(jié)構(gòu)器件等等。隨著3D打印技術(shù)的不斷進(jìn)步，微納3D打印的出現(xiàn)，完美的解決了這個(gè)問(wèn)題。
微納3D打印和“傳統(tǒng)”3D打印的主要區(qū)別在于，微納3D打印能達(dá)到“傳統(tǒng)”3D打印無(wú)法達(dá)到的高精度。微納3D打印的精度能達(dá)到細(xì)觀、微觀和納觀（即十億分之一米）級(jí)別。這一特性使得微納尺度3D打印能批量復(fù)制微小結(jié)構(gòu)，制造真正處于微觀級(jí)別的器件，實(shí)現(xiàn)一般的3D打印無(wú)法企及的細(xì)節(jié)和精度。

△納米級(jí)3d打印泰姬陵

下面，南極熊就盤點(diǎn)一下，國(guó)內(nèi)外有哪些微納級(jí)、納米級(jí)3d打印技術(shù)和廠商。

深圳摩方材料微納米3D打印技術(shù)
深圳摩方材料科技有限公司研發(fā)的微納米3D打印技術(shù)以及微納米級(jí)功能型復(fù)合材料，可以制造出千變?nèi)f化的新型復(fù)合材料，如“超輕超強(qiáng)復(fù)合材料”，其以納米微格為基礎(chǔ)，將“結(jié)構(gòu)承重”深入到微觀尺度，造出極為通透而堅(jiān)固的材料，同時(shí)又具有高硬度、高強(qiáng)度、超低密度的優(yōu)點(diǎn)。

摩方材料專有的技術(shù)稱為“PμLSE”（Projection Micro Litho Stereo Exposure），即“面投影微立體光刻”，原理很像微視頻顯示設(shè)備，系列圖像會(huì)通過(guò)縮影鏡頭連續(xù)投影到需固化的光敏樹(shù)脂上。縮小的圖像投聚在光敏樹(shù)脂上，紫外光會(huì)引起樹(shù)脂的固化或硬化的過(guò)程，這一過(guò)程也被稱為光致交聯(lián)。只有光照射的地方會(huì)固化、變硬，形成預(yù)設(shè)的3D形狀。所投影的圖案由三維圖像決定，是電腦生成的三維模型的橫截面。輔之獨(dú)特的后處理技術(shù)，摩方能制造各種產(chǎn)品，包括陶瓷和光學(xué)鏡片。

△深圳摩方微納米3D打印3mm高3D打印埃菲爾鐵塔模型細(xì)節(jié)

微納米3D打印系統(tǒng)基于新型的面投影微光刻技術(shù)原理設(shè)計(jì)而成，能實(shí)現(xiàn)多材料的微納尺度材料三維打印，微結(jié)構(gòu)分辨率達(dá)到0.5μm，可制造出長(zhǎng)度150mm及以上的成形件。面投影微光刻技術(shù)被認(rèn)為是目前有前景的微細(xì)加工技術(shù)之一：采用幾個(gè)微米UV光斑, 采用層厚通常在1~10μm之間（提高精度），讓樹(shù)脂在非常小的面積發(fā)生光固化反應(yīng)，通過(guò)一次曝光可以完成一層制作，具備成型效率高、生產(chǎn)成本低的突出優(yōu)勢(shì)。

△深圳摩方微納米3D打印精細(xì)的血管模型

基于微納尺度的3D打印技術(shù)，可定制設(shè)計(jì)光學(xué)性能優(yōu)異、超高精度、超薄尺度的透鏡，不受透鏡尺寸、形狀、厚度的加工限制。該技術(shù)可做到加工速度快、材料選擇面寬、制作成本低，相對(duì)較適合產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。微納超薄透鏡，可廣泛應(yīng)用于超薄手機(jī)相機(jī)、VR/AR鏡片、車載相機(jī)、內(nèi)窺鏡、微陣列透鏡、柔性透鏡等領(lǐng)域。

普利生（Prismlab）MP系列科研級(jí)微納米3D打印機(jī)

2018年，普利生（Prismlab）成功立項(xiàng)科技部《微納結(jié)構(gòu)增材制造與裝備》項(xiàng)目，并作為牽頭單位，聯(lián)合東南大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、華中科技大學(xué)、華東理工大學(xué)、南京大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、長(zhǎng)春理工大學(xué)等7所高校，以及蘇州賽菲集團(tuán)有限公司，組成強(qiáng)大研發(fā)團(tuán)隊(duì)，從共性技術(shù)、前沿技術(shù)、關(guān)鍵技術(shù)與裝備、應(yīng)用示范四個(gè)層次出發(fā)，一路攻破微納領(lǐng)域多項(xiàng)技術(shù)壁壘。

目前團(tuán)隊(duì)已經(jīng)成功研發(fā)出MP-36-3L和MP-200-17DL兩款微納3D打印機(jī)，其運(yùn)用了全球獨(dú)創(chuàng)的亞像素未掃描技術(shù)（SMS），可使打印精度達(dá)到3μm及以下。

MP-36-3L微納3D打印機(jī)

MP-36-3L微納3D打印機(jī)具有以下特點(diǎn)：

• 高精度：（XY打印精度高達(dá)3μm）
• 低層厚：（5μm~40μm的打印層厚效果對(duì)比）
• 光學(xué)監(jiān)控系統(tǒng)，自動(dòng)對(duì)焦功能
• 配置氣浮平臺(tái)，提高打印質(zhì)量,優(yōu)良的光源穩(wěn)定性
  

普利生（Prismlab）MP系列科研級(jí)微納米3D打印機(jī)已經(jīng)在多所高校和科研院所投入使用。

佛山市光壘智能制造有限公司
分辨率推進(jìn)到微米亞微米尺度的DLP 3D打印技術(shù)

2018年，佛山光壘智造表示，將DLP 3D打印技術(shù)的分辨率推進(jìn)到微米亞微米尺度。光壘智造全名是佛山市光壘智能制造有限公司，技術(shù)來(lái)源于中山大學(xué)和北京化工大學(xué)，這是一家從事3D打印技術(shù)的高科技企業(yè)，他們是怎么解決的？

光壘智造的范冰豐博士認(rèn)為，在各種現(xiàn)有的3D打印技術(shù)中（除雙光子吸收、光全息、電子束等科研手段外），只有DLP打印才有可能將分辨率進(jìn)一步提高，他認(rèn)為從三個(gè)層面提高DLP的打印分辨率：

• 選擇像素更小的DMD微鏡；
• 減小LED光源的波長(zhǎng)，這個(gè)跟半導(dǎo)體技術(shù)里的光刻很類似，現(xiàn)在制造CPU的技術(shù)都在用極紫外光曝光技術(shù)；
• 設(shè)計(jì)更匹配的紫外聚焦成像光學(xué)系統(tǒng)。
  

△ 指尖上的埃菲爾鐵塔，鐵塔蘊(yùn)含豐富的細(xì)節(jié)

范博士早年從事LED半導(dǎo)體芯片的制造，熟悉諸如半導(dǎo)體光刻、Stepper步進(jìn)式曝光機(jī)、無(wú)掩膜Maskless曝光機(jī)的工藝手段，將類似工藝引入到DLP技術(shù)中。光壘智造的LED芯片工程師設(shè)計(jì)了高功率型的更低波段的紫外LED光源，光學(xué)工程師們?cè)O(shè)計(jì)了匯聚型的光學(xué)鏡頭及紫外光路，軟件工程師又進(jìn)一步處理匯聚之后的畸變和光場(chǎng)均勻度調(diào)教，這樣才將DLP 3D打印精度推到了亞微米微米尺度。

尤其重要的是，目前大多數(shù)進(jìn)口的光敏固化材料精度大概在10-100微米左右，設(shè)備打印精度卻在10微米以下，光壘智造的化工團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了精度更高與他們?cè)O(shè)備匹配的光敏材料，使得打印微納結(jié)構(gòu)能夠成功。

  

△三維密堆積微納結(jié)構(gòu)，下圖為高倍顯微鏡下的細(xì)節(jié)圖像

目前來(lái)說(shuō)，最實(shí)際的應(yīng)用莫過(guò)于科研領(lǐng)域了，科研工作者有了這個(gè)設(shè)備，就可以打印各種微納結(jié)構(gòu)的材料，美美的在國(guó)際頂尖期刊灌水。光壘的微納尺寸打印設(shè)備目前可接受定制，價(jià)格很親民。

Nanoscribe納米和微米3D打印
Nanoscribe成立于2007年，作為卡爾斯魯厄理工學(xué)院研究小組的分拆，目前，Nanoscribe已經(jīng)成為納米和微米3D打印的著名企業(yè)，并且在許多項(xiàng)目上都有所作為。Nanoscribe的激光光刻系統(tǒng)用于3D打印世界上最小的超高強(qiáng)度3D晶格結(jié)構(gòu)，它使用高精度激光來(lái)固化光刻膠中具有小至千分之一毫米特征的結(jié)構(gòu)。 換句話說(shuō)，激光使基于液體的材料的小液滴內(nèi)部的特定層硬化。

Nanoscribe的Photonic Professional GT 3D打印系統(tǒng)

為了進(jìn)一步適應(yīng)日益增長(zhǎng)的業(yè)務(wù)，Nanoscribe還宣布將把設(shè)施搬遷到KIT投資3000萬(wàn)歐元的蔡司創(chuàng)新中心。 此舉將于2019年底舉行，將有助于推動(dòng)微型3D打印領(lǐng)域的更多創(chuàng)新。 Hermatschweiler補(bǔ)充說(shuō)：“通過(guò)這個(gè)創(chuàng)新中心能夠與KIT靠的更近，卡爾斯魯厄不斷為Nanoscribe等公司提供創(chuàng)新和成功發(fā)展的理想環(huán)境�！�

　

微米級(jí)的3D打印自由女神像、神廟、埃菲爾鐵塔

  

世界上最小的指尖陀螺，寬度僅為100微米

ORNL的科學(xué)家們使用Nanoscribe的增材制造系統(tǒng)來(lái)構(gòu)建世界上最小的指尖陀螺， 該迷你玩具的寬度僅為100微米（與人類頭發(fā)的寬度相當(dāng)）。除了用于無(wú)線技術(shù)，Nanoscribe的3D打印技術(shù)還可用于制造高精度的光學(xué)微透鏡，衍射光學(xué)元件，用于生物打印的納米級(jí)支架等等。

瑞士Cytosurge
微納尺寸的金屬3D打印

瑞士納米技術(shù)公司Cytosurge成立于2009年，是蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的分支機(jī)構(gòu)，由于市場(chǎng)上缺乏生產(chǎn)微米和納米金屬結(jié)構(gòu)的技術(shù)，他們便開(kāi)始開(kāi)發(fā)Fluid FM工藝。2018年Cytosurge宣布升級(jí)其Fluid FM μ3D打印機(jī)，新增的功能允許增材制造實(shí)現(xiàn)微制造，并且可以在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)上進(jìn)行3D打印。

△在微芯片上的FluidFM 打印，圖片來(lái)自Cytosurge

FluidFM 技術(shù)結(jié)合微流體及原子力顯微鏡的優(yōu)勢(shì)壓力感測(cè)，離子探頭內(nèi)顯微通道可供微量液體流通。微流體與原子力顯微鏡的獨(dú)特組合可創(chuàng)造出形體更復(fù)雜、純度更高的金屬物體。光學(xué)原子力反饋機(jī)構(gòu)可進(jìn)行即時(shí)的過(guò)程控制。FluidFM離子探頭注射口的最小口徑可小于人類頭發(fā)直徑1/500。在這個(gè)注射口徑尺寸下，最低流速可達(dá)每秒數(shù)飛升，是目前最先進(jìn)流量探測(cè)器的探測(cè)限值1/1,000,000。FluidFM技術(shù)使微納米級(jí)復(fù)雜金屬物體的制造成為可能。

△△FluidFM μ3Dprinter用于納米光刻、崎嶇表面打印、納米和微米等級(jí)的3D金屬和聚合物結(jié)構(gòu)打印。

其技術(shù)參數(shù)：

• 理論打印空間（金屬）：高達(dá) 1,000,000 μm3
• 成型空間 (mm)：100 x 70 x 60
• 打印速度：高達(dá) 100 μm/s
• 定位精度：XY ± 250 nm & Z ± 5 nm
• 打印控制：即時(shí)
• 打印精度：納米級(jí)
• 打印注射量：飛升級(jí)
  

如此獨(dú)特的技術(shù)，主要用于：

• 3D 打�。篎luidFM 微納米3D打印機(jī)可直接打印微納米級(jí)的復(fù)雜金屬物體。
• 多種金屬打�。恒~、銀、金、鉑，目前正在研究30多種金屬（鎳、鉻、鎘、鐵、銦、鋅等）的電化學(xué)增材制造技術(shù)。
• 納米光刻技術(shù)：可打印納米級(jí)的向量以及復(fù)雜2D結(jié)構(gòu)�？膳渲酶鞣N液體及納米粒子，精度達(dá)飛升、納米級(jí)。
• 表面修復(fù)：可進(jìn)行高精度的表面修復(fù)與改造，可運(yùn)用多種材料打印，且結(jié)構(gòu)精確。
  

通過(guò)電化學(xué)工藝，F(xiàn)luidFM技術(shù)使用微量移液管通過(guò)300納米的孔徑，控制含離子液體（硫酸銅溶液）的沉積。然后該溶液通過(guò)與電極的化學(xué)反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為可沉積在打印床上的固化材料。

在室溫下工作時(shí)，打印機(jī)能夠生產(chǎn)1立方μm至1'000'000立方μm的高品質(zhì)金屬物體結(jié)構(gòu)。諸如90度角的懸垂結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)可以使用這種工藝進(jìn)行3D打印，從而在打印復(fù)雜的3D物體時(shí)不需要結(jié)構(gòu)支撐。

在FluidFM技術(shù)首次發(fā)布后，Cytosurge聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Pascal Behr博士表示：“新開(kāi)發(fā)的3D打印方法適用于各種市場(chǎng)的應(yīng)用。我們看到了潛在的應(yīng)用，特別是在手表和半導(dǎo)體行業(yè)以及醫(yī)療器械領(lǐng)域�！�

  

Cytosurge通過(guò)增加兩臺(tái)高分辨率相機(jī)擴(kuò)展了現(xiàn)有功能。 這些相機(jī)與Fluid FM μ3D打印機(jī)集成在一起，可以實(shí)現(xiàn)更精確的3D打印，并且可以在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)上進(jìn)行3D打印。

一臺(tái)相機(jī)的任務(wù)是對(duì)要打印的物體或表面進(jìn)行成像，另一臺(tái)相機(jī)用于系統(tǒng)處理，打印機(jī)設(shè)置，校準(zhǔn)和計(jì)算機(jī)輔助對(duì)齊。用戶可以在包括集成電路板的微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）上3D打印金屬物體，升級(jí)后的Fluid FM μ3D打印機(jī)的應(yīng)用包括用于生命科學(xué)和物理學(xué)研究的亞微米級(jí)實(shí)驗(yàn)。

奧地利UpNano
雙光子3D打印機(jī)

雙光子3D打印技術(shù)原理

△雙光子3D打印技術(shù)原理

雙光子吸收（2PA）的空間選擇性。2PA的概率在聚焦點(diǎn)之外顯著降低，因此也降低了熒光體積，實(shí)現(xiàn)了更高的空間分辨率。熒光顯微鏡中單光子束路徑和多光子束路徑的直接比較顯示，2PA僅出現(xiàn)在光束的焦點(diǎn)處。 因此，單體交聯(lián)僅在焦平面上發(fā)生，因?yàn)榫酆戏磻?yīng)取決于這種非線性吸收，而在1光子吸收的情況下，發(fā)射的光會(huì)沿整個(gè)光束吸收。這解釋了為什么逐層生產(chǎn)采用基于單束光子的工藝（例如立體光刻）生產(chǎn)的零件，而雙光子零件卻可以3D打印小于100 nm分辨率物體的原因。

此前，人們認(rèn)為，使用光聚合物作為材料，在亞微米的精度范圍內(nèi)，雙光子3D打印機(jī)不能打印出ISO測(cè)試所需的（大）尺寸試樣。UpNano專有的自適應(yīng)分辨率技術(shù)與強(qiáng)大的激光器相結(jié)合，打破了這個(gè)不可能性，可以使用符合ISO標(biāo)準(zhǔn)的材料，為工業(yè)和學(xué)術(shù)界3D打印納米尺寸的零件。

高分辨率的3D打印技術(shù)可以生產(chǎn)出比傳統(tǒng)制造工藝更小、更精確的零件。然而，隨著這項(xiàng)技術(shù)的潛力越來(lái)越受關(guān)注，世界各地的工業(yè)和研究機(jī)構(gòu)，都要求獲得關(guān)于各種打印技術(shù)所使用的大量不同材料的質(zhì)量信息。

△NanoOne雙光子3D打印機(jī)

這通常來(lái)說(shuō)很困難，因?yàn)榇蠖鄶?shù)標(biāo)準(zhǔn)的材料規(guī)格測(cè)試方法需要的試樣，比高分辨率3D打印機(jī)能夠生產(chǎn)的試樣大得多�，F(xiàn)在，雙光子聚合（2PP）3D打印技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者UpNano公司成功地利用其NanoOne打印機(jī)成功地制造出了所需的厘米范圍內(nèi)的測(cè)試樣件，使用的是納米分辨率。


法國(guó)公司Microlight3D

法國(guó)公司Microlight3D在格勒諾布爾 - 阿爾卑斯大學(xué)進(jìn)行的15年雙光子聚合研究，已經(jīng)在3D微打印和應(yīng)用領(lǐng)域積累了大量的專業(yè)知識(shí)，自2017年開(kāi)始銷售其高分辨率3D打印機(jī)。

△高度僅80微米藝術(shù)家自畫像

在Artotheque FRAC Limousin New Aquitaine展上，展了出Paysant的納米級(jí)3D打印雕塑，Microlight3D在雕塑表面添加了一層薄薄的金（100nm厚）。

△Microlight3D 微納米3D打印機(jī)

青島理工
電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)噴射沉積微納3D打印技術(shù)
青島理工大學(xué)山東省增材制造工程技術(shù)研究中心蘭紅波教授團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于微納尺度3D打印的研究。近年來(lái)，提出并建立了一種原創(chuàng)性的微納增材制造技術(shù)—電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)噴射沉積微納3D打印，研制出國(guó)內(nèi)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的微納3D打印機(jī)。

電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)噴射沉積微納3D打印作為一種全新的微納3D打印技術(shù)，在透明電極、血管支架、組織支架、微光學(xué)透鏡、柔性電子、紙基電子、大面積微模具等諸多領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用前景。

該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種使用EFD微尺度3D打印PMMA模具和UV輔助微轉(zhuǎn)移厚膜銀膏來(lái)生產(chǎn)高性能TGHs的廉價(jià)新技術(shù)。TGHs 具有卓越的光電性能,T 為 93.9%,H 值小于1%,R 值為 0.21 Ω 平方±1。此外,通過(guò)監(jiān)測(cè)溫度分布和時(shí)間響應(yīng),該TGH設(shè)計(jì)證明具有均勻、穩(wěn)定的加熱性能。它還表現(xiàn)出顯著的化學(xué)和機(jī)械穩(wěn)定性,90天后在大氣環(huán)境中的Rs增加微不足道。這包括惡劣的環(huán)境,例如 100°C 處的長(zhǎng)期超聲波振動(dòng)。此外,銀網(wǎng)和玻璃基板之間的附著力足夠強(qiáng),在100次粘附實(shí)驗(yàn)后,R幾乎保持不變。此外,通過(guò)成功的除冰試驗(yàn),證明了所提議的TGH的實(shí)際可行性。

這些優(yōu)勢(shì)可歸因于 EFD 微尺度 3D 打印的新型包含,它可以打印具有高 AR 的 PMMA 模具,以及可成功傳輸厚膜銀膏的 UV 輔助微移工藝。由此產(chǎn)生的TGH提供了前所未有的性能。因此,本文提出的制造方法為生產(chǎn)低成本、高性能的TGHs提供了一個(gè)有前途的策略。

美國(guó)加州勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Sourabh K. Saha和香港中文大學(xué)Shih-Chi Chen
通過(guò)超快激光打印亞微米結(jié)構(gòu)技術(shù)

美國(guó)加州勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Sourabh K. Saha和香港中文大學(xué)Shih-Chi Chen合作提出一種通過(guò)超快激光打印亞微米結(jié)構(gòu)的技術(shù)。通過(guò)投影2D聚焦平面構(gòu)筑3D模型。這種方法在不犧牲分辨率的情況下將傳統(tǒng)方法的產(chǎn)率提高了三個(gè)數(shù)量級(jí)。能夠在8分鐘的時(shí)間內(nèi)打印出傳統(tǒng)TPL方法幾個(gè)小時(shí)才能完成的結(jié)構(gòu)。

“我們可以同時(shí)投影一百萬(wàn)個(gè)點(diǎn)，而不是使用單個(gè)光點(diǎn)，從而極大地提高了速度，因?yàn)槲覀兛梢允褂谜麄�(gè)平面，來(lái)代替使用必須掃描的單個(gè)點(diǎn)來(lái)創(chuàng)建結(jié)構(gòu)的方法。 對(duì)于投射光， 我們沒(méi)有聚焦一個(gè)點(diǎn)，而是擁有一個(gè)可以被圖案化為任意結(jié)構(gòu)的整個(gè)聚焦平面�！泵绹�(guó)加州勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Sourabh Saha說(shuō)道。這個(gè)技術(shù)，其實(shí)在我們熟知的3D打印技術(shù)中，就是DLP面曝光3D打印技術(shù)。

研究人員多年來(lái)一直致力于加速用于生產(chǎn)納米級(jí)3D結(jié)構(gòu)的雙光子光刻工藝。 他們的成功來(lái)自采用一種不同的聚焦光的方法，即利用其時(shí)域特性，從而可以生產(chǎn)出具有高分辨率且具有微小特征的超薄光片。飛秒激光的使用能夠保持足夠的光強(qiáng)度，以觸發(fā)雙光子過(guò)程聚合，同時(shí)保持較小的點(diǎn)尺寸。 在FP-TPL技術(shù)中，飛秒脈沖經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)時(shí)會(huì)被拉伸和壓縮，以實(shí)現(xiàn)時(shí)間聚焦。該過(guò)程可以生成比衍射限制的聚焦光斑更小的3D特征，并且需要兩個(gè)光子同時(shí)撞擊液體前驅(qū)物分子。

FP-TPL的單層容量處理速率超過(guò)現(xiàn)有TPL技術(shù)至少三個(gè)數(shù)量級(jí)。我們的3D打印速率超過(guò)現(xiàn)有最快的TPL技術(shù)，其中多孔結(jié)構(gòu)超過(guò)90多倍，非孔結(jié)構(gòu)超過(guò)450倍。FP-TPL方法能夠打印復(fù)雜3D亞微米特征結(jié)構(gòu)圖案。FP-TPL可實(shí)現(xiàn)高軸向分辨率。另一個(gè)FP-TPL優(yōu)于傳統(tǒng)技術(shù)的是打印曲線的能力（圖 2E），在分段線性路徑離散近似過(guò)程中，無(wú)需分段加速和減速。這在很大程度上增加打印效率。還允許打印具90°懸伸的長(zhǎng)懸架橋結(jié)構(gòu)（圖2G）。FP-TPL的打印量、分辨率和模式靈活性使其成為一項(xiàng)有吸引力的技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)微納米結(jié)構(gòu)的批量制造，可能使用在機(jī)械和光學(xué)超材料，微光學(xué)、生物支架，電化學(xué)接口和柔性電子器件多種領(lǐng)域。是一項(xiàng)具有實(shí)用性的革新技術(shù)。

Old World Labs（OWL）
納米級(jí)高精度3D打印機(jī)
OWL Nano不像用鏡子反射激光束到目標(biāo)位置的其他立體光刻打印機(jī)，OWL Nano將它的激光源放在離打印結(jié)構(gòu)僅幾個(gè)厘米的位置。因而減少了光束的變形，可形成高度可調(diào)的、單束的激光，這種激光可以聚焦到100納米那么小的區(qū)域里。OWL Nano的激光還能和下面的打印物體形成完美的90度垂直夾角，讓3D打印更加均衡。

MC-1技術(shù)規(guī)格：
分辨率：1微米
精度：100納米（機(jī)械能力）
準(zhǔn)確度：+/- 500納米
重復(fù)性：99％
最大打印尺寸：15厘米×15厘米×15厘米
打印速度：1英寸^ 3 /小時(shí)
使用材料：光致聚合物
重量：80磅
外形尺寸：26L×18W×26H英寸
電源輸入：110VAC
工作溫度：72degF

德國(guó)TETRA
雙光子聚合納米3D打印機(jī)
TETRA是一家德國(guó)公司，擁有超過(guò)40名高技能的工程師，主要開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和銷售包括傳感器、機(jī)器人和自動(dòng)化方面的產(chǎn)品。盡管這些產(chǎn)品適用于不同行業(yè)，但是他們的專業(yè)之一就是針對(duì)微型和納米技術(shù)生產(chǎn)高度專業(yè)化的測(cè)試和制造系統(tǒng)。其他的客戶包括生命科學(xué)、電子行業(yè)和材料行業(yè)的用戶。
TETRA推出的TETRA納米3D打印機(jī)，該機(jī)器主要使用雙光子聚合技術(shù)，并號(hào)稱能夠打印出世界最小的納米級(jí)3D對(duì)象。雙光子聚合是一種光刻工藝，主要使用超短脈沖激光來(lái)固化液體光敏材料。在實(shí)際操作中有點(diǎn)類似于現(xiàn)在的SLA技術(shù)，使用激光束固化焦點(diǎn)區(qū)域的材料，只不過(guò)尺寸要小得多。

  

“打印區(qū)域的尺寸可以通過(guò)激光功率和僅有幾微米的聚焦直徑來(lái)確定�！盩ETRA公司的Norman Petzold稱，“固化區(qū)域的直徑最低可以小于100納米，從而可以以非常高的分辨率打印納米結(jié)構(gòu)�！痹摷{米3D打印機(jī)被設(shè)計(jì)為在工業(yè)環(huán)境中使用，并且能夠小批量生產(chǎn)。

整體上，這款3D打印機(jī)最大打印尺寸為30×30×30毫米，精度達(dá)400納米，精度比當(dāng)前市場(chǎng)上的納米3D打印機(jī)提高10倍。

Schwarz-P細(xì)胞的細(xì)胞培養(yǎng)支架（反射電子顯微鏡畫面）

  

用于培養(yǎng)骨細(xì)胞的納米結(jié)構(gòu)

目前，TETRA的納米結(jié)構(gòu)已經(jīng)被用在組織工程和細(xì)胞培養(yǎng)方面，其高分辨率的支架可支持細(xì)胞成長(zhǎng)，同時(shí)也可針對(duì)不同類型的細(xì)胞進(jìn)行優(yōu)化。另外，其納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)還可以根據(jù)指定孔徑的大小、壁密度和材料成分進(jìn)行調(diào)整。其他應(yīng)用包括光電子、微系統(tǒng)技術(shù)和傳感器等。

中科院理化所雙光子3D打印
中科院理化所該實(shí)驗(yàn)室目前已經(jīng)可以使用雙光子3D打印技術(shù)打印出直徑為18nm的懸空線和玻璃基板上35nm的納米線結(jié)構(gòu)�；�于多光子激光直寫加工技術(shù)，該研究團(tuán)隊(duì)近年來(lái)取得了一系列研究成果，如高分辨3D水凝膠結(jié)構(gòu)，手性互補(bǔ)超穎材料，高透光率的有序金屬網(wǎng)格透明電極結(jié)構(gòu)。。

在光學(xué)界頂級(jí)期刊《Laser & Photonics Review》發(fā)表論文[Laser Photon. Rev. 10(4), 665-672 (2016), Three-dimensional Luneburg lens at optical frequencies]，引起了廣泛關(guān)注。該論文開(kāi)創(chuàng)性地利用納米級(jí)的3D打印技術(shù)——超衍射多光子直寫加工技術(shù)制備了聚合物三維Luneburg透鏡器件，其大小僅相當(dāng)于人類頭發(fā)直徑的1/2，第一次將真三維的Luneburg透鏡的工作波段從微波推廣至光波段，使對(duì)三維Luneburg透鏡的研究從宏觀的微波領(lǐng)域轉(zhuǎn)向光學(xué)領(lǐng)域邁進(jìn)了堅(jiān)實(shí)的一步，該研究成果將進(jìn)一步促進(jìn)微小光學(xué)和變換光學(xué)的發(fā)展，并打開(kāi)了納米級(jí)3D打印技術(shù)在微納米器件領(lǐng)域中的全新應(yīng)用。

但是目前該技術(shù)主要是用在科研領(lǐng)域，產(chǎn)業(yè)應(yīng)用方面有待進(jìn)一步開(kāi)拓。隨后，南極熊參觀了正在進(jìn)行雙光子3D打印的設(shè)備，整套設(shè)備由高端的激光器、復(fù)雜的光路和精度極高的顯微設(shè)備構(gòu)成，由于保密限制南極熊暫時(shí)無(wú)法公開(kāi)照片。

但是，近幾年鄭老師團(tuán)隊(duì)在對(duì)雙光子3D打印設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)集成和改造后，推出了一套小型的雙光子3D打印解決方案，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的雙光子3D打印研究，目前該設(shè)備主要適用于科研領(lǐng)域。

△中科院理化所的雙光子3D打印解決方案

韓國(guó)電子技術(shù)研究所
韓國(guó)電子技術(shù)研究所（KERI）宣布他們發(fā)明了一種新的3D打印技術(shù)，可以有效操控銀納米顆粒墨水，從而制造出納米級(jí)的銀結(jié)構(gòu)，推動(dòng)電子行業(yè)發(fā)展，尤其是可穿戴電子產(chǎn)品這個(gè)目前越來(lái)越火爆的部分。

這項(xiàng)技術(shù)是由KERI聯(lián)合韓國(guó)的漢陽(yáng)大學(xué)、高麗大學(xué)，以及中國(guó)的香港大學(xué)聯(lián)合研發(fā)的，原理是用一種半月板形的結(jié)構(gòu)來(lái)控制銀納米顆粒，然后通過(guò)層層堆積的方式創(chuàng)建出3D實(shí)體（有些類似FDM技術(shù)）優(yōu)點(diǎn)在于可以讓材料保持良好的流動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量連續(xù)打印。

技術(shù)所用的墨水是由銀納米顆粒和一種聚丙烯酸構(gòu)成的。丙烯酸在被擠出時(shí)會(huì)迅速蒸發(fā)，帶走大量的熱，令銀納米顆粒迅速凝固。值得一提的是在打印完成后，銀結(jié)構(gòu)還需要通過(guò)微波進(jìn)行加熱處理，才能獲得更高的結(jié)構(gòu)完整性。

目前，研究者們已經(jīng)通過(guò)打印出許多不同的銀結(jié)構(gòu)證明了這種技術(shù)的確可行（上圖），同時(shí)也通過(guò)串聯(lián)LED的方式證明了這些3D打印的銀結(jié)構(gòu)確實(shí)擁有良好的導(dǎo)電性。

弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所
100納米分辨率的DLP-MPP 3D打印機(jī)

在LightFab GmbH，Bartels Mikrotechnik GmbH和Miltenyi Biotec GmbH的幫助下，弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所ILT的工程師目前正在構(gòu)建一臺(tái)結(jié)合了DLP（數(shù)字光處理）和MPP（多光子聚合）3D打印技術(shù)的3D打印機(jī)，該項(xiàng)目名字為“通過(guò)UV聚合和多光子聚合的組合在增材制造中實(shí)現(xiàn)高生產(chǎn)率和細(xì)節(jié)”，被簡(jiǎn)稱為HoPro-3D。

HoPro-3D項(xiàng)目由歐盟和北萊茵 - 威斯特法倫州資助，旨在縮小快速3D打印與超精確3D打印之間的差距。具有亞微米分辨率的MPP 3D打印機(jī)的最大缺點(diǎn)是它們的速度;因?yàn)樗鼈兪褂脕?lái)自低功率激光器的脈沖來(lái)產(chǎn)生單個(gè)UV光子，它們一次僅固化材料的體素（3D像素的一個(gè)像素）。而DLP是最快的3D打印方法之一。相比之下，MPP 3D打印的分辨率為100 nm（納米），比10μm的DLP 3D打印高1000倍。

將這兩種技術(shù)都放入3D打印機(jī)可以快速制造出具有亞微米細(xì)節(jié)的更大固體。 例如，具有微機(jī)械和微流體系統(tǒng)的可植入生物醫(yī)學(xué)裝置可以是3D打印的。 甚至像鏡頭和棱鏡這樣的光學(xué)功能元件也可以集成到物體中。 通過(guò)將該技術(shù)與由光控制的3D打印微結(jié)構(gòu)相結(jié)合，可以將基于光的電路3D打印到更大的組件上。

  

系統(tǒng)配備了發(fā)射波長(zhǎng)為365 nm的高性能LED和具有高清分辨率的DLP芯片; MPP模塊使用飛秒激光器和快速掃描儀和顯微鏡光學(xué)器件。 它是“兩全其美”的3D打印機(jī)。 HoPro-3D項(xiàng)目在2018年11月開(kāi)始運(yùn)行三年，屆時(shí)它們很可能會(huì)擁有一臺(tái)用于市場(chǎng)銷售的機(jī)器。

佐治亞理工學(xué)院
采用超音速氣體噴射技術(shù)開(kāi)發(fā)出納米3D打印技術(shù)

佐治亞理工學(xué)院的研究人員利用聚焦電子束開(kāi)發(fā)了一種更快速的納米3D打印方法。他們發(fā)明了一種微小的高能超音速氣體射流，以加速前體材料的沉積。 該技術(shù)可以發(fā)掘出熱力學(xué)現(xiàn)象以及3D納米加工的新應(yīng)用。

聚焦電子束誘導(dǎo)沉積
聚焦電子束誘導(dǎo)沉積（FEBID）是3D納米加工的直接方法。 一束高能電子和一股熱激發(fā)前體氣體聚焦在基板上的同一點(diǎn)上。 當(dāng)電子束撞擊基板時(shí)，材料分子就會(huì)沉積。 通過(guò)精確控制，這種方式可以制造復(fù)雜的納米3D結(jié)構(gòu)。 除了高沉積精度外，F(xiàn)EBID技術(shù)還可以打印大尺寸，并支持廣泛的材料。

FEBID過(guò)程的例證。圖顯示注入（1）前體氣體顆粒擴(kuò)散（2）和釋放物質(zhì)（3）形成受控表面和金屬連接原子（4）。圖片來(lái)自Beilstein J Nanotechnol。 2012; 3：597-619。

納米級(jí)3D結(jié)構(gòu)為監(jiān)測(cè)、計(jì)算機(jī)處理和能源研究提供了新方法。除了FEBID之外，還有其他具有功能應(yīng)用的3D納米加工方法。賓夕法尼亞州立大學(xué)通過(guò)雙光子聚合生產(chǎn)LED，新加坡科技與設(shè)計(jì)大學(xué)通過(guò)多光子光刻技術(shù)開(kāi)發(fā)出一種防偽裝置。

利用超音速噴射加速納米3D打印
FEBID的主要限制是其生產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)，因而限制了納米器件的大批量生產(chǎn)。為了克服這一障礙，研究人員尋找一種能夠在不增加基板溫度的情況下提高沉積速度的方法。為了激活前體分子，該團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種直徑為幾微米的微毛細(xì)管注射器。進(jìn)入沉積真空室，噴射器引入微小的氣體分子射流，加速到超音速。吸附在基板上的前體分子被來(lái)自超音速射流的能量激發(fā)。在這種激活狀態(tài)下，來(lái)自光束的電子之間的化學(xué)鍵更容易破裂。結(jié)果，納米3D打印過(guò)程加快了。

掌握了這項(xiàng)技術(shù)后，研究人員希望了解潛在的物理現(xiàn)象。 開(kāi)發(fā)關(guān)于這種3D納米加工技術(shù)的理論將有助于將其擴(kuò)展到其他領(lǐng)域，如定向自組裝，外延生長(zhǎng)和其他領(lǐng)域。在不干擾其熱力學(xué)狀態(tài)的情況下，不能直接測(cè)量吸附原子（吸附原子的簡(jiǎn)稱）溫度。 因此，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了納米級(jí)溫度計(jì)模型，以預(yù)測(cè)吸收有效溫度和表面溫度，以控制超音速微噴氣體撞擊。

加熱的毛細(xì)管微噴嘴，安裝在FEBID系統(tǒng)的沉積打印倉(cāng)內(nèi)，以及用于石墨烯互連的沉積物的電特性的測(cè)試芯片。 圖片來(lái)自佐治亞理工學(xué)院。

在未來(lái)的工作中，研究人員計(jì)劃使用含有高能惰性氣體和前體氣體的混合式噴氣機(jī)。 除了顯著加速3D納米加工之外，混合噴射還可以在3D打印期間精確控制材料成分。 這使得能夠形成具有超出現(xiàn)有納米制造技術(shù)范圍的相和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的納米結(jié)構(gòu)。

《Nature Communications》發(fā)表"靜電射流偏轉(zhuǎn)" 技術(shù)

"靜電射流偏轉(zhuǎn)" 技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)可以噴射出出亞微米級(jí)的射流，噴射速度可以達(dá)到1m/s（普通FDM 3D打印機(jī)的噴出材料的速度在50-150mm/s）。那么如此快速的噴射亞微米射流，怎樣才能按照控制預(yù)設(shè)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行層層堆疊呢？研究人員在噴嘴周圍加上了電場(chǎng)，通過(guò)控制電極上的電壓，使射流產(chǎn)生靜電偏轉(zhuǎn)。通過(guò)高達(dá)2000 Hz的電場(chǎng)頻率，控制納米絲材按照規(guī)律層層堆疊來(lái)打印3D對(duì)象，噴射連續(xù)調(diào)節(jié)的加速度可以達(dá)到100萬(wàn)m/s2。

最終這項(xiàng)新技術(shù)實(shí)現(xiàn)的平面內(nèi)打印速度高達(dá)0.5m/s，垂直方向的打印速度可以達(dá)到0.4mm/s。

△圖b技術(shù)原理，首先打印墨水不是靠擠壓噴出的，而是靠在噴嘴和打印基板之間施加了1000V的電壓。一旦作用在液體墨水表面上的電應(yīng)力克服了表面張力，液面便會(huì)形成一個(gè)泰勒錐（圖片a），從而將很細(xì)的墨水射向打印基板。

其次，在X軸和Y軸方向，同樣增加了電極，這些電極能夠改變射流附近的電場(chǎng)，從而控制墨水噴射到打印基板上的位置。隨后的打印過(guò)程與傳統(tǒng)的3D打印一樣，逐層堆積直至形成所需的三維結(jié)構(gòu)。

這項(xiàng)研究通過(guò)對(duì)帶電射流軌跡的控制，實(shí)現(xiàn)了基于噴嘴的亞微米分辨率的3D打印。并且平面內(nèi)打印速度最高可達(dá)0.5 m/s，離面速度高達(dá)0.4mm/s，超越了所有已知的能夠提供亞微米分辨率的增材制造技術(shù)。另外，計(jì)算出的加速度高達(dá)100萬(wàn)m/s2，比依靠機(jī)械平臺(tái)定義物體幾何形狀的技術(shù)所提供的加速度高四個(gè)數(shù)量級(jí)。

通過(guò)帶電噴頭的靜電偏轉(zhuǎn)，復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)通過(guò)精確的靜電驅(qū)動(dòng)逐層自組裝，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)每秒2000層的速度進(jìn)行打印。此外，控制油墨粘度和組成允許調(diào)節(jié)打印對(duì)象的微觀結(jié)構(gòu)。綜上所述，EHD噴射偏轉(zhuǎn)打印可以實(shí)現(xiàn)幾乎任何成分、可調(diào)整微觀結(jié)構(gòu)和功能的3D對(duì)象的超快速微制造。

美國(guó)紐約市立大學(xué)
聚合物刷超表面光刻技術(shù)

美國(guó)紐約市立大學(xué)的Adam B. Braunschweig（通訊作者）團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種“聚合物刷超表面光刻”技術(shù)，其可以獨(dú)立控制圖案中每個(gè)像素的單體組成和特征高度，并且像素邊緣長(zhǎng)度約為5 μm，同時(shí)避免了對(duì)昂貴光掩模的需求。將這些圖案稱為超曲面，借用從同名的數(shù)學(xué)概念來(lái)表示該圖案，在該模式中，每個(gè)像素有三個(gè)以上的屬性可以獨(dú)立控制（即用x和y位置表示聚合物高度和化學(xué)成分）。因?yàn)樗木S（4D）打印已被用來(lái)表示對(duì)象的加性制造，且這些對(duì)象的形狀隨著外部刺激而隨時(shí)間改變。為了創(chuàng)建這些超表面，作者集成了數(shù)字微鏡設(shè)備（DMD）、微流控技術(shù)和安裝在壓電平臺(tái)上的無(wú)氧反應(yīng)室（圖1）。

基于DMD的打印機(jī)已與微流體技術(shù)相結(jié)合，用于寡核苷酸和寡肽微陣列的制造，并可以制備用于組織工程的支架。該打印機(jī)是基于TERA-Print E系列儀器構(gòu)建的，其可協(xié)調(diào)DMD（1024×768個(gè)獨(dú)立可控反射鏡）、光源（405 nm LED，32 mW cm-2）和帶有CPU接口的壓電平臺(tái)以投射圖案從上載的圖像文件中獲取的圖像。惰性氣氛腔室由一個(gè)密封的聚苯乙烯電池、一個(gè)玻璃窗（將光從DMD傳遞到表面）以及用于將單體溶液引入反應(yīng)性底物的管子的入口和出口孔組成。功能化基材上的另一塊玻璃板形成50 μL反應(yīng)池，其中溶液通過(guò)毛細(xì)作用力被吸到表面上。由單體、溶劑和光敏劑組成的反應(yīng)溶液通過(guò)注射泵控制反應(yīng)池內(nèi)的流量引入和退出。此外，可以在上游并入微流體混沌混合器以混合不同比例的組分。

圖：光化學(xué)打印機(jī)

開(kāi)發(fā)了一個(gè)用于嵌段共聚物陣列光化學(xué)構(gòu)圖的平臺(tái)，該平臺(tái)可以獨(dú)立控制>750,000像素中每個(gè)像素的位置和組成，并具有微米級(jí)的特征分辨率。由于表面是由計(jì)算機(jī)調(diào)制的DMD照射，因此可以打印任意圖案而不需要使用一系列昂貴的光掩模。其中，微流控技術(shù)和無(wú)空氣反應(yīng)室與DMD的集成是一項(xiàng)關(guān)鍵創(chuàng)新，其允許時(shí)空控制將不同材料接枝到基材上，并且原則上可以用來(lái)制造由幾乎無(wú)限數(shù)量的獨(dú)特刷子成分的聚合物組成的聚合物圖案。