Science advances: 基于整體圖像旋轉(zhuǎn)堆疊的光固化打印

來(lái)源：EngineeringForLife

目前3D打印的快速發(fā)展已經(jīng)徹底改變了機(jī)械/聲學(xué)超材料、生物材料和能源/環(huán)境應(yīng)用結(jié)構(gòu)的制造。其中，光固化打印更是憑借其高特征分辨率，較快的制造速度，較大的制造尺寸等優(yōu)勢(shì)，在高分辨率和復(fù)雜幾何的產(chǎn)品制造領(lǐng)域起到重要作用。然而，現(xiàn)有的光固化仍然存在一些問(wèn)題，現(xiàn)有光固化打印的成像依賴于單孔徑成像系統(tǒng)，導(dǎo)致其必須在打印幅面和打印分辨率之間進(jìn)行權(quán)衡，大大限制了光固化打印大批量生產(chǎn)微觀結(jié)構(gòu)的能力。

為解決這一問(wèn)題，來(lái)自Massachusetts Institute of Technology的Nicholas X. Fang教授團(tuán)隊(duì)在Science advances期刊上發(fā)表了題為“Scalable 3D printing of aperiodic cellular structures by rotational stacking of integral image formation”的文章，提出了一種基于積分圖像重建和微透鏡陣列的積分光刻技術(shù)，以此來(lái)同時(shí)實(shí)現(xiàn)大幅面與高精度的光固化打印。

研究人員首先構(gòu)建了一套基于微透鏡陣列的光固化打印系統(tǒng)，不同于普通的DLP打印機(jī)，其光路系統(tǒng)輸出的物體圖像并非直接投影到打印平面上，而是先投影到一個(gè)擴(kuò)散器上，在這個(gè)擴(kuò)散器后設(shè)置一下微透鏡陣列，這個(gè)陣列中的每一個(gè)小透鏡都被視作一個(gè)物鏡，負(fù)責(zé)將擴(kuò)散器上的圖像投影到打印平面上，因此，一個(gè)物體將會(huì)被微透鏡陣列上許許多多的小透鏡進(jìn)行投影，會(huì)在打印平面上呈現(xiàn)出眾多的像，由于一個(gè)物體可以在打印平面上不同位置呈多個(gè)像，因此通過(guò)調(diào)整光路系統(tǒng)輸出的不同物體位置，便可以讓不同物體在打印平面所成的像發(fā)生重疊，從而實(shí)現(xiàn)微小特征的構(gòu)造。同時(shí)，研究人員將微透鏡陣列安裝于旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，從而可以實(shí)現(xiàn)打印平面上像的位置的旋轉(zhuǎn)，從而構(gòu)建出更加復(fù)雜精細(xì)的結(jié)構(gòu)。

圖1 用于可縮放3D打印的集成光固化打印系統(tǒng)。（A）集成光固化打印系統(tǒng)的示意圖。重建的成像模式由透鏡陣列（顯示在麻省理工學(xué)院機(jī)械標(biāo)志前）與數(shù)字顯微顯示器一起投影。（B至F）在逐層印刷期間，以24.75 mW/cm2的強(qiáng)度，以3至30 s的曝光時(shí)間，通過(guò)線性堆疊制備周期性微結(jié)構(gòu)。這些多尺度結(jié)構(gòu)由透鏡陣列（圖4標(biāo)題和材料與方法中定義的透鏡1）產(chǎn)生：（B）立方桁架微晶格（400層，聚合厚度為5至50μm），（C）微晶格的掃描電子顯微照片，支撐懸吊梁直徑為5μm；（D） 三周期雙連續(xù)結(jié)構(gòu)（60層，聚合厚度為20μm）；（E） 圓形晶格微折疊（10層，聚合厚度為10μm）；（F） 梯形殼型微結(jié)構(gòu)，具有凹入幾何形狀（20層，聚合厚度為20μm）。（G至I）在逐層打印期間，通過(guò)旋轉(zhuǎn)堆疊產(chǎn)生的具有精確可控角度偏移的非周期微結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)由透鏡陣列（圖4標(biāo)題和材料與方法中定義的透鏡2）制成：（G）具有異質(zhì)子晶格的八倍準(zhǔn)晶格和（H）相同子晶格；（一） 以2π/12角堆疊的非周期木樁晶格，具有線性角序列。照片來(lái)源：（A和B）Seok Kim，麻省理工學(xué)院。

接著,研究人員對(duì)微透鏡陣列輸入與輸出的關(guān)系展開(kāi)了進(jìn)一步研究，他們分別輸入了兩者情況：1、輸入一組圖案，觀察通過(guò)微透鏡陣列后打印平面上光強(qiáng)分布；2、將1中的那組圖案拆分為3個(gè)分解，并從不同位置輸入，觀察通過(guò)微透鏡陣列后打印平面上光強(qiáng)分布。結(jié)果表明，兩者輸入會(huì)得到完全一致的光強(qiáng)分布，進(jìn)一步證明了研究人員采取的打印系統(tǒng)的可行性。然后，研究人員還使用旋轉(zhuǎn)平臺(tái)帶動(dòng)微透鏡陣列轉(zhuǎn)動(dòng)，嘗試構(gòu)建了許多復(fù)雜的具有手性或非周期性特征的晶格，進(jìn)一步證明了其實(shí)用價(jià)值。

圖2 數(shù)字控制成像圖案。（A）透鏡陣列和輸入對(duì)象之間的幾何關(guān)系產(chǎn)生萬(wàn)花筒式的交織圖案。合成圖像投影在透鏡陣列（透鏡2）的成像平面上，并由光學(xué)顯微鏡捕獲。通過(guò)透鏡陣列并行復(fù)制單個(gè)對(duì)象圖像，該透鏡陣列捕獲對(duì)象圖像并生成重復(fù)圖案陣列�；�于透鏡陣列和單個(gè)對(duì)象圖像之間的交互作用，通過(guò)多個(gè)復(fù)制圖像的重疊和疊加形成萬(wàn)花筒式交織圖案。比例尺，100μm。（B和C）壓縮多投影積分成像模式：（B）相同/分解元素圖像（EIs）輸入對(duì)象與投影輸出之間積分成像的矩陣形式。傳遞矩陣H由其元素hm，n確定，它們表示透鏡陣列中單元透鏡的脈沖響應(yīng)函數(shù)。m和n分別表示水平方向和垂直方向上透鏡陣列中的單元透鏡數(shù)量；（C） 光學(xué)顯微鏡–由投影像素尺寸（LP）為50μm的數(shù)字微顯示器創(chuàng)建的整體成像圖案的捕獲拓?fù)浜蜋M截面強(qiáng)度分布。根據(jù)像素距離將強(qiáng)度分布標(biāo)準(zhǔn)化為最大灰度值。（i和ii）同心圓光柵在通過(guò)透鏡陣列的成像平面上分別具有相同EIs和三個(gè)分解EIs的積分成像圖案。（D） 通過(guò)多重積分投影的具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的非周期格。（i）具有相同雙層（角偏移：45°）的準(zhǔn)晶格，（ii和iii）具有相同三層（角偏移：±30°）和多層（角偏移：3°）的超晶格，以及（iv）具有異質(zhì)多層（角偏移：45°）的非公度莫爾晶格的破缺晶格相關(guān)對(duì)稱性。這些結(jié)構(gòu)使用透鏡2打印。比例尺，100μm。

隨后，研究人員使用該打印系統(tǒng)嘗試了高分辨率以及大打印幅面的打印，實(shí)現(xiàn)了保證5微米精度的同時(shí)具有2500mm2的打印幅面，同時(shí)也使用該方法完成了1-2微米特征的構(gòu)建，除此之外，研究人員還通過(guò)旋轉(zhuǎn)與重復(fù)曝光，構(gòu)建出了許多復(fù)雜又精細(xì)的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步彰顯了該方法的強(qiáng)大潛力。

圖3 具有小特征尺寸的可縮放印刷。（A至E）使用透鏡1（f=5.5 mm，p=1 mm，有效NA為0.091，總尺寸為50×50 mm2）創(chuàng)建的微結(jié)構(gòu)/顆粒：（A至C）周期性微結(jié)構(gòu)，如纖維晶格，在高達(dá)2500 mm2的曝光面積上，最小特征尺寸為~5.3μm；（D） 柔性多臂微粒；（E） 微紋理表面。（F至K）使用透鏡3（F=0.57 mm，p=0.25 mm，有效NA 0.219，總尺寸為25×25 mm2）制作的任意微圖案/顆粒：（F至I）特征尺寸小于~1.6μm的陣列線和最大曝光面積為625 mm2的陣列字母MiT；（J和K）具有微孔陣列的三維微粒。所有微結(jié)構(gòu)均通過(guò)使用相同EIs的積分成像圖案進(jìn)行打印，以24.75 mW/cm2的強(qiáng)度進(jìn)行3到10 s的單次曝光。使用ImageJ軟件對(duì)（C）和（I）中所示光學(xué)圖像的線輪廓進(jìn)行了定量分析。（五十） 具有（i至iv）線性或（v）非線性角序列的三維木樁晶格形成（i和ii）周期或（iii和v）非周期結(jié)構(gòu)，特征尺寸在x-y平面上小于約20.5μm。根據(jù)旋轉(zhuǎn)角度的不同，3D扭曲木樁晶格可以是手性結(jié)構(gòu)[例如，（i）N=3，（iii）N=8]。使用透鏡2打印三維木樁結(jié)構(gòu)（f=5.2mm，p=0.15mm，有效NA為0.014，總尺寸為10×10mm2）。照片來(lái)源：（A、B、D和J）Seok Kim，麻省理工學(xué)院。

最后，研究人員對(duì)他們成果進(jìn)行了分析與總結(jié)，對(duì)理論打印幅面與打印精度的關(guān)系進(jìn)行了理論公式的推導(dǎo)，并將他們的系統(tǒng)與現(xiàn)在常見(jiàn)的光固化打印系統(tǒng)進(jìn)行了比較，進(jìn)一步展示了他們的優(yōu)勢(shì)。

圖4 積分光刻系統(tǒng)的優(yōu)值。PμSL方法作為面積構(gòu)建尺寸（as）與可實(shí)現(xiàn)最小特征尺寸（R）函數(shù)的比較。虛線表示由以下數(shù)字微顯示設(shè)備分組的分析比例方程：硅上液晶（LCoS）（53）、DMD（49）、微型發(fā)光二極管（LED）（54）或液晶顯示器（LCD）（55）。使用PμSL（基于單孔徑成像系統(tǒng)）的已公布結(jié)果繪制數(shù)據(jù)點(diǎn)，該結(jié)果顯示出經(jīng)驗(yàn)縮放依賴性。用于生成圖的綜合數(shù)據(jù)集如表S1所示。紅點(diǎn)和綠圈分別代表作者獲得的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果，以確定積分光刻的潛力。連續(xù)印刷（11）；體積印刷（17、18）。

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DOI: 10.1126/sciadv.abh1200