介尺度亞納米表面質(zhì)量的免裝配復雜光學器件的超高速3D打印

來源： 極端制造 IJEM作 者：彭帥1,*、徐嘉文1、李東亞1、任俊1、張盟1、王曉龍2,#、劉禹1,#（*為第一作者，#為通訊作者）機 構(gòu)：1 江南大學、2 中國科學院蘭州化學物理研究所）

復雜空間形貌的光學透鏡在激光加工、機器視覺、光通信等領(lǐng)域正在廣泛應用。傳統(tǒng)的光學透鏡制造方法主要是通過超精密加工與研磨和拋光后處理技術(shù)等結(jié)合實現(xiàn)，通常工序繁多、成本昂貴而且較難滿足復雜自由度要求。增材制造技術(shù)在制備復雜結(jié)構(gòu)的光學器件方面正在展示出較為明顯的優(yōu)勢。然而，層層堆疊的增材制造方式，存在打印速度過低、層間階梯效應帶來的表面質(zhì)量不佳等問題。近期，江南大學機械工程學院劉禹教授、團隊博士生研究生彭帥和中國科學院蘭州化學物理研究所王曉龍教授團隊在《極端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同發(fā)表《Ultra-fast 3D Printing of Assembly – free Complex Optics with Sub-nanometer Surface Quality at Mesoscale》的研究論文，提出利用斷層掃描體積打印技術(shù)與彎月面平衡后固化工藝相結(jié)合，在實現(xiàn)高速打�。�3.1 × 104 mm3 h−1）的同時保證打印結(jié)構(gòu)亞納米級（RMS = 0.3340 nm）的表面質(zhì)量。

研究背景
光學器件因具有良好的照明、傳感、光調(diào)制和顯示能力可以直接應用于傳感器、全息圖重建、人機交互和其他光電子器件。光學器件的傳統(tǒng)制造方法主要包括超精密加工、鑄造和注射成型。然而，目前主流的加工技術(shù)造價昂貴、工序繁多、自由度低，限制了光學器件的進一步發(fā)展。

最近，3D打印在制造高度復雜形貌光學器件引起了極大的關(guān)注。與基于點作為基本制造單元的雙光子聚合（TPP）、熔融沉積成型（FDM）、直接墨水書寫（DIW）和立體光刻（SLA）相比，使用以層作為基本制造單元的數(shù)字光處理技術(shù)（DLP）被認為是高速制造聚合物鏡片的一種更有效方法。然而，大約90%的加工時間被消耗在重新涂抹新的光固化樹脂，以確保各層之間的均勻性。連續(xù)液體界面打�。–LIP）工藝，消除了耗時的重新涂抹步驟，提供了一個大幅提高制造速度的機會。然而，盡管CLIP極大地提高了打印速度，但打印結(jié)構(gòu)的表面質(zhì)量在一定程度上仍然受到階梯效應的限制。

為了解決復雜光學器件制造速度與打印結(jié)構(gòu)表面質(zhì)量的問題，彭帥等人探討了利用TVP工藝來進一步提高復雜光學鏡片制造速度的可行性。如圖1所示，TVP技術(shù)首先在幾十秒鐘內(nèi)生成透鏡結(jié)構(gòu)。從樹脂容器中取出制造的物體后，其表面上殘留的樹脂膜被進一步固化，以獲得亞納米級的超光滑表面。所打印的光學鏡片可直接裝在手機鏡頭上進行微小特征的觀測。

圖1. TVP系統(tǒng)打印示意圖。(a) TVP系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。(b) TVP打印過程圖。一個厘米級的平凸透鏡在幾十秒內(nèi)打印完成。

最新進展
作者對比了三種不同光固化技術(shù)制造同一透鏡模型的表面形貌特征和打印時間。如圖2(a-c)所示，通過層層疊加進行實體制造的SLA和DLP需要輔助支撐方可進行打印，后續(xù)的去除支撐過程也會破壞表面形貌，而TVP打印在高粘度樹脂中進行，無需支撐即可實現(xiàn)復雜結(jié)構(gòu)的一體化成型。如圖2(d)所示，TVP在打印效率方面占有絕對的優(yōu)勢，幾十秒即可實現(xiàn)厘米級透鏡的打印。如圖2(e-h)所示，通過SLA和DLP打印的結(jié)構(gòu)表面都有階梯效應，這影響了其表面質(zhì)量。而TVP一體化的打印則避免了階梯效應，成功制備高表面質(zhì)量的光學透鏡。

圖2. 用不同的光固化打印技術(shù)制造同一透鏡的表面形貌特征和打印時間比較。(a)-(c) SLA、DLP和TVP打印的相同模型。(d) 使用不同的光固化打印技術(shù)制造0.5×(16.1 mm3)、1×(128.6 mm3)和1.5×(434.1 mm3)比例的透鏡所需時間對比。(e)-(g) SLA、DLP和TVP制作的透鏡在彎月面平衡后固化之前的SEM圖像。(h) 是(g)的放大視圖。

為了驗證彎月面平衡后固化工藝在提高TVP打印結(jié)構(gòu)表面質(zhì)量的作用，作者對比了有無后固化處理的透鏡結(jié)構(gòu)的三維形貌。如圖3(a-g)所示，TVP結(jié)合彎月面平衡后固化工藝的透鏡表面可以達到亞納米級表面粗糙度（RMS=0.3340nm，Sa=0.4898nm）。圖4(f-g)橫截面輪廓顯示出±4 nm內(nèi)的變化，表明此工藝制造的光學鏡片非常適合光學應用。圖3(h-j)展示了用異丙醇去除打印結(jié)構(gòu)表面樹脂后的三維形貌，可以看出RMS高達75.42nm。

圖3. TVP打印透鏡的三維形貌。(a)光學表面輪廓儀捕捉到的表面形態(tài)。(b) 區(qū)域I和(c)區(qū)域II的放大表面形態(tài)。(d) 區(qū)域I和(e)區(qū)域Ⅱ的三維粗糙度分布。(f)橫截面A-A'和(g) B-B'剖面圖。(h)TVP制造的無后固化處理的透鏡的三維形貌。(i)區(qū)域Ⅲ的三維粗糙度分布。(j)截面C-C'剖面圖。

為了體現(xiàn)TVP打印的高自由度，如圖4(a-d)所示，作者還打印了更多復雜結(jié)構(gòu)的光學透鏡，甚至是透鏡組的一體化打印。圖4(e-h)展示了復雜形貌透鏡具有一定的功能性。

圖4. 制造復雜形貌的透鏡。(a-c) 復雜形貌透鏡。(d) 透鏡組的一體化打印。(e) 實驗光學系統(tǒng)的示意圖被用證明復雜鏡片的功能特性。(f) 沒有經(jīng)過打印鏡片的綠色激光筆的成像。(g) 綠色激光穿過(a)中Y軸后的成像。(h) 綠色激光穿過(c)中Z軸后的成像。

為了證明TVP打印鏡片的成像特性，圖5(a)中的實驗裝置使用了一個分辨率測試目標，它有從0到+7的8組圖案。圖5(b)顯示了由CCD捕獲的目標圖像。從圖6(c)可以看到第3組第6單元的條形。圖5(d-g)所示，TVP打印的球面透鏡可以直接安裝到一個智能手機上，拍攝了Arduino Mega 2560表面的兩張放大圖像，可以直觀地看到焦點中的電學元件和寬度為500μm的導線。作者采用了圖6(i)的坐標線作為對象。將打印的類復眼透鏡直接安裝在圖6(h)所示的智能手機上，可以觀察到兩個模糊的坐標線。測試結(jié)果證實，TVP打印的透鏡可以有效地應用在商用智能手機上，提供高質(zhì)量的圖像。

圖5. TVP打印透鏡的成像特性。(a) 表征TVP打印定制鏡頭的成像性能的實驗系統(tǒng)示意圖。(b) 嵌入打印透鏡拍攝分辨率測試目標的圖像。(c) 第2組和第3組的特寫視圖。(d) 使用球面透鏡的設置示意圖。(e) 不使用透鏡的智能手機拍攝的電路板圖像。(f)-(g) 使用球面透鏡從(e)中捕捉到的兩個放大的圖像。(h) 使用類復眼鏡頭的裝置示意圖。(i) 不使用透鏡和(j)使用類復眼透鏡的智能手機拍攝的刻有坐標的板的圖像。

未來展望
TVP技術(shù)是一種超高速的打印方式，再結(jié)合彎月面平衡后固化技術(shù)勢必在光學制造領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。其前景主要包括以下幾個方面：盡管TVP能實現(xiàn)超高速的打印進程，但是它的精度與超精密加工還有一定距離，為了實現(xiàn)高精度的器件制造，算法模擬和材料配比需要進一步配合；目前用于TVP的大多是透明材料,為了實現(xiàn)多功能的耦合，未來還要繼續(xù)探索多材料的TVP技術(shù)；TVP技術(shù)目前只能打印厘米尺度結(jié)構(gòu)，未來要開拓大尺度結(jié)構(gòu)打印方法。在解決這些問題之后，TVP必將成為各制造領(lǐng)域的強大工具。

作者簡介

劉禹 教授

劉禹教授是江南大學機械工程學院教授、博導。曾入選海外高層次人才引進計劃青年項目、江蘇省雙創(chuàng)人才高校創(chuàng)新計劃以及無錫市百名科技之星。主要從事功能器件增材制造、微納制造、精密測量研究工作，承擔了國家、省部級等多個項目/課題。研究成果在高水平學術(shù)期刊如《Nat. Comms.》、《Adv. Mater.》、《Addi. Manu.》等發(fā)表論文100余篇。授權(quán)國內(nèi)外發(fā)明專利80余項；技術(shù)成果曾獲得江蘇省科學技術(shù)二等獎、Xerox Achievement Awards等。擔任中國機械工程學會極端制造分會委員、中國機械工程學會增材制造分會委員、《Int. J. Extrem. Manuf.》青年編委、《Nanotech. Precis. Eng.》(NPE)青年編委，多次受邀學科領(lǐng)域國內(nèi)外學術(shù)會議開展學術(shù)報告或擔任分會主席，以及作為領(lǐng)域知名期刊評審。

王曉龍 研究員

王曉龍，中科院蘭州化學物理研究所研究員，石河子大學“綠洲學者”講座教授。1999年和2007年在蘭州大學化學化工學院分別獲得學士和博士學位；2010-2011，香港理工大學研究助理；2012-2013，加拿大西安大略大學訪問學者；2014年入選中科院“西部之光”人才培養(yǎng)計劃；“十四五”國家重點研發(fā)計劃“增材制造與激光制造”重點專項項目首席科學家。中國機械工程學會增材制造分會委員，甘肅省材料學會理事，《Coatings》、《摩擦學學報》等雜志編委；曾獲2021年IAAM Scientist Award（國際先進材料協(xié)會科學家獎），甘肅省專利獎一等獎1項（第一發(fā)明人），甘肅省醫(yī)學科技獎一等獎1項（第二完成人）。研究領(lǐng)域主要包括3D打印新材料及功能器件、仿生摩擦與潤滑和材料表界面工程等，在《Adv. Mater.》，《Adv. Funct. Mater.》，《Small》等期刊發(fā)表學術(shù)論文120余篇，獲授權(quán)中國發(fā)明專利30余件、美國專利2件。