分辨率高達1.5微米，斯坦福大學推出micro-CLIP 3D 打印技術

2023年1月17日，南極熊獲悉，來自斯坦福大學的研究人員進行了一項關于增材制造精細加工的研究，這增加了使用增材制造構建微觀結構的新興范式轉變，以徹底改變醫(yī)學和能源儲存等領域的設備設計。

該項研究以題為“Single-digit-micrometer-resolutioncontinuous liquid interface production/個位數微米級分辨率的連續(xù)液體界面生產”的論文被發(fā)表在《科學進展》期刊上。

相關論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq2846

這項研究描述了工程師解決增材制造中多種微細加工問題的新方法，并使3D打印物體的特征小到1.5微米，僅有紅細胞的五分之一大小。這項被稱為micro-CLIP的新興個位數微米級打印技術允許制造比商業(yè)CLIP打印機小50倍的零件特征，同時保留了商業(yè)打印機的高打印速度，比其他適合微細加工的 "先進 "高分辨率3D打印方法快100倍以上。

△基于微米級CLIP技術的3D打印機設置示意圖和打印過程。圖片來自《科學進展》

研究亮點

在這研究中，研究人員開發(fā)并制作了一個由管狀透鏡和顯微鏡物鏡組成的定制投影透鏡系統(tǒng)，以達到個位數微米的分辨率。此外，由于高倍率顯微鏡物鏡的景深極窄（幾十微米），該團隊使用了一種聚焦算法，其中包括一個在線分光器和一個可定制的管狀透鏡，用CCD相機可視化投影圖案。

為了找到最佳焦平面位置，研究團隊采用了基于對比度的算法和數字設計的網狀圖案。該團隊引用了最佳清晰度位置，并在掃描了400微米的深度并評估了通焦投影圖像堆后，用實際打印結果確認了性能。據該團隊稱，這種基于對比度的聚焦系統(tǒng)，解決了從高倍率投影光學器件聚焦到窄景深的挑戰(zhàn)，并使他們能夠毫不費力地重新調整到理想焦平面。

研究人員利用尺寸從4.5到135微米不等的孔和線圖案，評估了基于CLIP的3D打印機的分辨率性能，其分辨率為個位數微米級別。盡管光學分辨率被開發(fā)為1.5微米，但被反復成功打印的最小特征是18微米的孔和6微米的線。研究發(fā)現(xiàn)，樹脂配方、設計圖案、光學分辨率、打印策略以及最后的清洗策略對打印機分辨率和打印性能有很大影響。

在此之后，研究團隊創(chuàng)建了一個模擬模型，以提供對CLIP打印過程的更深理解，以及為不同的設計和材料創(chuàng)建最佳打印策略的方向。該模型包括通過用高斯分布估計的PSF對投影光學的光學模擬，以及對動量傳輸和流場的潤滑理論預測。它還包括固化高度、氧氣濃度梯度和光聚合動力學建模，以評估死區(qū)厚度。

研究團隊開發(fā)的模擬模型為如何提高打印工藝提供了見解，如使用分步打印策略（例如，停止-移動-曝光）以實現(xiàn)有效的樹脂回流，并估計必要的層間力矩以消除樹脂對流引起的印刷假象。該模型還估計了為保持恒定的打印死區(qū)所需的參數（氧氣擴散系數和光強度）。最后，研究團隊展示了使用基于CLIP的個位數微米分辨率的3D打印機的3D打印，以及使用粘性彈性材料打印的能力。

△用于優(yōu)化投影焦平面的基于對比度的對焦算法。圖片來自斯坦福大學

微米級3D打印技術的發(fā)展現(xiàn)狀

此前，位于特拉維夫的精密增材制造技術開發(fā)商Nanofabrica公司推出了兩款具有微米級分辨率的工業(yè)3D打印機，即車間系統(tǒng)和工業(yè)系統(tǒng)。這兩個系統(tǒng)都采用了該公司的專利工藝，它是以數字光處理（DLP）引擎為基礎，同時采用了自適應光學（AO）技術，該技術用于增強望遠鏡等光學設備的圖像差異。這項技術旨在用于醫(yī)療、汽車、航空航天、光學和半導體行業(yè)，開發(fā)具有微米和亞微米分辨率和表面光潔度的部件。

此外，法國超高分辨率3D打印機制造商Microlight3D發(fā)布了Altraspin亞微米級3D打印機。該機器的分辨率為0.2μm，比人類頭發(fā)的厚度還要小100倍。Altraspin 3D打印機在微型機器人、生物工程和微傳感器領域大有用處，它的開發(fā)是為了滿足日益增長的亞微米制造的需求。該公司首席執(zhí)行官Denis Barbier評論說："Microlight3D設計Altraspin是為了應對制造業(yè)對更多的定制和亞微米零件的快速成型的需求，這些零件不受幾何或有機形狀的限制。"