南加州大學(xué)：躍進(jìn)投影光固化工藝顯著提升大尺寸高精度三維打印效率

來源：高分子科技

無論是自然界或者人類身體本身充滿了橫跨多尺度的結(jié)構(gòu)(Multi-scale structures)，例如人體的肺器官由無數(shù)微觀的肺泡組成，植物葉表的超疏水結(jié)構(gòu)，工程中用于增強(qiáng)減重的超材料以及生物醫(yī)療領(lǐng)域的微流體器件。

投影式光固化三維打印(Projection-based Vat Photopolymerization)在加工這種多尺度復(fù)雜零件方面擁有極大的潛力，然而該技術(shù)本身存在打印面積（print area）以及精度（resolution）之間的矛盾。隨著打印機(jī)面積的增大，單個(gè)像素尺寸（pixel size）也會(huì)隨之變大，降低了打印分辨率(圖1a)。一個(gè)顯而易見的解決辦法是步進(jìn)重復(fù)（Step-and-repeat method） – 通過線性模組將投影系統(tǒng)移動(dòng)到不同位置，停下后投影直到打印完整個(gè)平面 (圖1b)。在打印大尺寸零件時(shí)，該方法由于頻繁的小線段加減速運(yùn)動(dòng)，打印時(shí)間會(huì)急劇增加，而打印可靠性和硬件壽命會(huì)急劇下降。為了提高打印效率，人們又開發(fā)了連續(xù)移動(dòng)光源光固化（Moving light method） – 投影系統(tǒng)在連續(xù)移動(dòng)的同時(shí)投影圖片進(jìn)行固化。該方法要求投影系統(tǒng)每移動(dòng)一個(gè)像素需要刷新一張掩膜圖像，否則會(huì)因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)模糊（motion blur）導(dǎo)致錯(cuò)誤的固化 (圖1c)。為此投影儀需要極高的刷新率(例如10 kHz)，市面上多數(shù)的投影儀都無法達(dá)到該性能要求而不得不降低打印速度或者開發(fā)專用高刷新率的投影系統(tǒng)。
為解決打印面積限制以及打印速度問題，南加州大學(xué)的Yong Chen教授和其團(tuán)隊(duì)成員Yang Xu博士后（共同一作）與普渡大學(xué)助理教授Huachao Mao（共同一作）, 及芬蘭阿爾托大學(xué)Jouni Partanen教授研發(fā)出一種躍進(jìn)光固化3D打印工藝（Hopping Light Vat Photopolymerization，HL-VPP），該工藝能夠僅用10 Hz的刷新率的高精度（10 μm/pixel） 投影系統(tǒng)高效地打印出含有微觀結(jié)構(gòu)的大尺寸（200mm）零件，并有潛力進(jìn)一步提升打印速度 (圖1d-f)。相關(guān)研究工作以“Hopping Light Vat Photopolymerization for Multiscale Fabrication”為題發(fā)表在期刊《Small》上。其他參與者有南加州大學(xué)碩士生Cenyi Liu, Zhengyu Du, Weijia Yan和Zhuoyuan Yang。

該工藝的核心思路是在傳統(tǒng)光固化基礎(chǔ)之上加上XY軸和一個(gè)單軸振鏡，通過振鏡的周期性旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來抵消投影系統(tǒng)的連續(xù)平移運(yùn)動(dòng)(圖2a-e)。在每個(gè)周期內(nèi)，通過同步投影系統(tǒng)的勻速直線運(yùn)動(dòng)與振鏡的勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，投影的圖像保持相對靜止，在當(dāng)前周期結(jié)束時(shí)，振鏡在10 μs內(nèi)跳回初始位置并開啟下一個(gè)周期，與此同時(shí)圖像的投影也跳到下一個(gè)打印子區(qū)域 (圖2f-g)。每個(gè)周期內(nèi)，投影系統(tǒng)只需刷新一次圖像，成百倍地降低了刷新率要求，即使采用高速掃描也不會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)模糊的情況。和傳統(tǒng)步進(jìn)重復(fù)（step-and-repeat）方法相比，速度提高了5倍以上 (圖2h-i)。為同步兩者運(yùn)動(dòng)避免錯(cuò)位，研究人員采用計(jì)算機(jī)輔助視覺方法調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)確保誤差小于最小分辨率(圖3)。利用該工藝，研究人員展示了同時(shí)含有微觀結(jié)構(gòu)與宏觀結(jié)構(gòu)的大尺寸零件以及含有仿生超疏水結(jié)構(gòu)的大面積表面(圖4)。

圖1. a 傳統(tǒng)光固化示意圖；b Step-and-repeat示意圖；c Moving Light示意圖； d Hopping Light示意圖；e 不同光固化工藝的打印效率與尺寸精度比的關(guān)系圖；f Moving Light與Hopping Light在不同的曝光時(shí)間與刷新率條件下的打印效率對比圖。

圖 2. a-e Hopping Light 3D打印原理；f 振鏡的周期運(yùn)動(dòng)；g 振鏡，投影系統(tǒng)和掩模圖像的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；h-i Hopping Light和Step-and-repeat打印效率對比圖。

圖3. a-e計(jì)算機(jī)視覺輔助運(yùn)動(dòng)同步調(diào)節(jié); f-g 調(diào)節(jié)前后對比圖。

圖 4. Hopping Light打印測試: a-d 含有微觀結(jié)構(gòu)與宏觀結(jié)構(gòu)的大面積零件； e-g 含有微針結(jié)構(gòu)的大面積表面；h-n 含有仿生超疏水結(jié)構(gòu)的大面積表面。

研究人員認(rèn)為躍進(jìn)光固化3D打印工藝帶來的大尺寸高效高精度加工能力能夠促進(jìn)更多仿生表面，大型超材料結(jié)構(gòu)，電子皮膚等領(lǐng)域的應(yīng)用。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202205784