微納3D打印的現(xiàn)狀、前沿和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展

來源： 國華投資

微納（包括微米級和納米級的分辨率、精度）3D打印是目前全球先進(jìn)制造熱點(diǎn)之一。（1）隨著光學(xué)、醫(yī)療、電子等應(yīng)用領(lǐng)域的器件微型化、功能化和集成化的發(fā)展趨勢，越來越多的器件的核心設(shè)計都依賴于3D復(fù)雜微納結(jié)構(gòu)；（2）超材料制造也依賴于3D復(fù)雜微納結(jié)構(gòu)。

目前能實(shí)現(xiàn)納米級制造（加工），并已經(jīng)商業(yè)化或正在商業(yè)化技術(shù)路徑的大類包括深紫外光刻、納米壓印、電子束加工（電能最終轉(zhuǎn)化為熱能）、離子束加工（電能轉(zhuǎn)化為動能，離子刻蝕、離子鍍膜和離子注入），主要制造（加工）平面結(jié)構(gòu)（例如集成電路、膜材等）。即使通過輔助工藝手段（如選擇性刻蝕、熱回流）,也只能獲得2.5D結(jié)構(gòu)（如金字塔結(jié)構(gòu)、微針結(jié)構(gòu)、微透鏡結(jié)構(gòu)等）。而微納 3D 打印這一大類別的技術(shù)路徑（廣義概念也包括基于光聚合成型的灰度光刻）在復(fù)雜3D微納結(jié)構(gòu)、高深寬比微納結(jié)構(gòu)以及復(fù)合材料3D微納結(jié)構(gòu)制造方面都具有很大的潛能和突出優(yōu)勢，而且還具有設(shè)備簡單、效率高、用材廣泛、無需掩模或模具直接成型等優(yōu)點(diǎn)。

一、微納3D打印技術(shù)現(xiàn)狀
從基本技術(shù)原理和工藝上劃分，微納 3D 打印可細(xì)分為微立體光刻（Micro Stereo Lithography, MSL/mSL或Masked Stereo Lithography Apparatus, MSLA) 、微激光燒結(jié)(MSLS) 、熔融沉積造型（Fused Deposition Modeling, FDM）、片材層壓（Laminated Object Manufacturing, LOM） 、雙光子聚合（Two-Photon Polymerization, TPP）、直寫成型技術(shù)（Direct Ink Writing, DIW） 、電噴印（Electro hydrodynamic jet printing, E-jet）、電化學(xué)沉積（Electrochemical Fabrication, EFAB）等技術(shù)路徑小類別，相關(guān)技術(shù)（工藝）的比較如下面兩張表所示。

基于光聚合成型的微立體光刻(單光子吸收)、雙光子聚合是目前最具有代表性的微納尺度3D 打印技術(shù)。光聚合成型的微納3D打印技術(shù)主要利用連續(xù)、脈沖激光或者LED光作為能量源，采用分層掃描、疊加成型的方式，將三維模型逐層分解為二維模型，并進(jìn)一步與顯微成像光學(xué)系統(tǒng)結(jié)合對光束進(jìn)行縮束或者聚焦，在微納尺度上控制光聚合反應(yīng)過程，實(shí)現(xiàn)微納三維結(jié)構(gòu)的打印制造。其中雙光子聚合技術(shù)的打印分辨率最高，是目前唯一可達(dá)到納米級精度的微納3D打印技術(shù)細(xì)分路徑。在基于光聚合成型的系統(tǒng)設(shè)計上，又可以分為激光直寫型和面投影曝光型，主要區(qū)別在于后者的系統(tǒng)光路中有數(shù)字掩膜生成系統(tǒng)。

二、光聚合成型3D打印前沿技術(shù)
光聚合成型3D打印前沿（相對而言，因細(xì)分技術(shù)路徑迭代較快）技術(shù)主要有：
（1）Carbon3D 公司John Tumbleston等提出的連續(xù)液面生長技術(shù)（Continuous Liquid Interface Production，CLIP），利用光敏樹脂在常溫下的氧阻聚效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)掩模固化方法；
（2）密歇根大學(xué)Martin de Beer等提出的雙波長光源直寫光刻技術(shù)（Dual Wavelength Lights-Direct Write Photolithography，DWL-DWP），使用2種不同波長光源實(shí)現(xiàn)連續(xù)打印目標(biāo),采用直接抑制光掩模照射非固化區(qū)域，誘發(fā)樹脂體系中抑制劑活性激發(fā)；
（3）西北大學(xué)David Walker等提出的高速大尺寸技術(shù)（High-Area Rapid Printing，HARP），能夠以極高的垂直打印速度將大尺寸零件連續(xù)打印出來；
（4）香港中文大學(xué)陳世祈團(tuán)隊(duì)提出的飛秒投影雙光子光刻技術(shù)（Femtosecond Project Two-Photon Lithography，F(xiàn)P-TPL），結(jié)合飛秒投影的并行雙光子光刻處理，可確保同時對超快光進(jìn)行時空聚焦;
（5）西安科技大學(xué)宗學(xué)文團(tuán)隊(duì)提出的雙紫外臭氧動態(tài)掩模技術(shù)（Dual-Ultraviolet Ozone Dynamic Mask，DUO-BM），依據(jù)Chapman臭氧循環(huán)理論，實(shí)現(xiàn)的機(jī)械、化學(xué)、物理過程包含復(fù)雜的協(xié)同機(jī)制，用于傳統(tǒng)紫外印刷固化工藝，可以替代鋁合金制版工序；
（6）加州大學(xué)伯克利分校Brett Kelly等提出的計算軸向光刻技術(shù)（Computed Axial Lithography，CAL），基于一種廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)成像和無損檢測的CT 圖像重建程序，將之前光固化的點(diǎn)掃描線成型、面成型直接發(fā)展到體成型方法；
（7）美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室Maxim Shusteff等提出的激光全息投影技術(shù)（Project Holographic Optical Fields，PHOF），通過3D 全息光場在多個軸向平面或3D空間上投影，來自不同方向的多束光在光敏樹脂中疊加形成數(shù)字化圖案進(jìn)行曝光。7 種前沿技術(shù)的技術(shù)原理、關(guān)鍵器件能力限制、創(chuàng)新特點(diǎn)和其面臨的工程應(yīng)用問題具體如下表所示。

以上7種前沿技術(shù)，CLIP、DWL-DWP、HARP主要優(yōu)勢是高速打印，精度不高；FP-TPL在雙光子聚合打印精度（可到納米級）的基礎(chǔ)上，打印速度極大提升，但對系統(tǒng)中光學(xué)器件的精度、可靠性以及系統(tǒng)控制算法都有較高要求；DUO-BM主要用于掩膜成型；CAL、PHOF是體成型（不需要逐層打�。┘夹g(shù)，成型速度很快，但精度不高（CAL的精度目前只能達(dá)到亞毫米級），且不能打印空心結(jié)構(gòu)。

三、微納3D打印的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展
（一）應(yīng)用領(lǐng)域
近年來,國內(nèi)外科研界和企業(yè)研發(fā)部門已經(jīng)開發(fā)出適用于多種材料(有機(jī)聚合物、金屬、玻璃、陶瓷、生物材料、復(fù)合材料等)多種類型的微納3D 打印技術(shù)。微納3D打印可廣泛應(yīng)用于微納機(jī)電系統(tǒng)、微納光學(xué)器件、微納傳感器、印刷電子、微納生物醫(yī)療器械、生物組織工程、生物芯片、微流控器件以及超材料等領(lǐng)域。

（二）微納3D打印系統(tǒng)廠商一覽
目前全球商用的生產(chǎn)微納打印系統(tǒng)（設(shè)備+材料）公司包括Nanoscribe、Boston Micro Fabrication（即摩方精密）、Microlight3D、UpNano（與Cubicure合作）、Heidelberg Instruments等基于光聚合成型技術(shù)的公司；此外還包括Nano Dimension（PCB打�。�、3D Micro Print（微激光燒結(jié)）、Nano Fabrica（已被Nano Dimension收購）、Exaddon（電化學(xué)沉積）、Cytosurge（微流控+原子力顯微鏡）、Fluicell（微流控）等非光聚合成型技術(shù)路徑的微打印公司。光聚合成型的微納3D打印代表性公司如下：

1. Nanoscribe
Nanoscribe成立于2007年，總部位于德國卡爾斯魯厄，擁有卡爾斯魯厄理工學(xué)院（KIT）的技術(shù)背景和卡爾蔡司公司的支持。經(jīng)過十幾年的不斷研究和成長，Nanoscribe已成為微納米生產(chǎn)的先驅(qū)和3D打印市場的領(lǐng)導(dǎo)者，推動著諸如力學(xué)超材料，微納機(jī)器人，再生醫(yī)學(xué)工程，微光學(xué)等創(chuàng)新領(lǐng)域的研究和發(fā)展，并提供優(yōu)化制程方案。Nanoscribe將年?duì)I業(yè)額的25%投入到未來的微納制造技術(shù)的研發(fā)。其在全球擁有超過70位高素質(zhì)的員工，致力于雙光子聚合技術(shù)的研發(fā)制造與售后服務(wù)事業(yè)。提供整套硬件，軟件，打印材料和工藝技術(shù)一站式服務(wù)，以協(xié)助用戶實(shí)現(xiàn)復(fù)雜三維微納米結(jié)構(gòu)加工的需求。遍布全球30多個國家，超過2000名用戶正在使用Nanoscribe的產(chǎn)品。包括多所全球前十頂尖大學(xué)，例如哈佛大學(xué)，斯坦福大學(xué)，加州理工學(xué)院，牛津大學(xué)，倫敦帝國理工學(xué)院，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院等等。2021年，Nanoscribe被瑞典3D生物打印設(shè)備商CELLINK公司以5000萬歐元估值收購，收購后維持獨(dú)立運(yùn)營。

2. Microlight3D
Microlight3D成立于2016年，總部位于法國，是一家生產(chǎn)用于工業(yè)和科學(xué)應(yīng)用的高分辨率微尺度2D和3D打印系統(tǒng)的專業(yè)制造商。MicroFAB-3D光刻機(jī)是該公司于2019年推出的第一臺緊湊臺式雙光子聚合系統(tǒng)，一經(jīng)推出便得到客戶的廣泛好評。MicroFAB-3D基于雙光子聚合激光直寫技術(shù)，可在各種光敏材料上制造出最小尺寸可達(dá)67nm的二維和三維特征結(jié)構(gòu)，兼容各種聚合物，包括生物兼容性材料、醫(yī)用樹脂和生物材料，為微流控、微光學(xué)、細(xì)胞培養(yǎng)、微機(jī)器人或人造材料領(lǐng)域開辟了新的前景。

3. 摩方精密
重慶摩方精密科技股份有限公司（BMF Precision Tech Inc.），精密增材制造量身定做。其nanoArch®系列3D打印設(shè)備采用面投影微立體光刻（PμSL: Projection Micro Stereolithography）技術(shù)，是目前行業(yè)極少能實(shí)現(xiàn)超高打印精度、高公差加工能力的3D打印系統(tǒng)。PμSL技術(shù)使用高精度紫外光刻投影系統(tǒng)，將需打印模型分層投影至樹脂液面，快速微立體成型，從數(shù)字模型直接加工三維復(fù)雜工業(yè)樣件。該技術(shù)具有成型效率高、加工成本低等突出優(yōu)勢，被認(rèn)為是目前最具有前景的微尺度加工技術(shù)之一。作為高精密增材制造領(lǐng)域的企業(yè)，摩方公司已和眾多全球知名企業(yè)開展業(yè)務(wù)合作，包括GE醫(yī)療、美國強(qiáng)生、日本電裝、安費(fèi)諾、泰科電子等，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用在連接器、精密醫(yī)療器械、消費(fèi)電子、精密加工等行業(yè)。作為微納3D打印的先行者，在三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)微加工領(lǐng)域，摩方團(tuán)隊(duì)擁有超過二十年的科研及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。針對客戶在新產(chǎn)品開發(fā)中可能出現(xiàn)的工藝和材料難題，我們將持續(xù)提供簡易高效的技術(shù)支持方案。摩方自主研發(fā)的3D打印系統(tǒng)也已被北京大學(xué)、浙江大學(xué)、北航、中石油、英國諾丁漢、德國德累斯頓理工、新加坡南洋理工等眾多全球高校和科研機(jī)構(gòu)所使用。

4. 魔技科技
魔技納米科技有限公司是三維微納制造領(lǐng)域集研發(fā)、生產(chǎn)、銷售、服務(wù)于一體的高新技術(shù)企業(yè)。核心研發(fā)團(tuán)隊(duì)擁有12年以上超快激光三維加工設(shè)備研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，致力打造具有自主知識產(chǎn)權(quán)的超穩(wěn)定納米級三維激光光刻直寫制造系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)加工精度達(dá)70納米的三維加工能力，提供集先進(jìn)光學(xué)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、整機(jī)設(shè)計于一體的光機(jī)電系統(tǒng)完整技術(shù)方案。深入生物醫(yī)療、光電通信、新材料、微納器件等多個產(chǎn)業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，并擁有應(yīng)用于多行業(yè)場景的成熟加工工藝�？啥ㄖ蒲邪l(fā)適配各產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域生產(chǎn)需求的個性化設(shè)備和產(chǎn)品，突破生物制藥、傳感、光電芯片、超材料等領(lǐng)域從科研到工業(yè)生產(chǎn)的屏障，將納米級制造精度和大范圍生產(chǎn)相結(jié)合，提供針對精密智造領(lǐng)域的整套專業(yè)解決方案。

（三）前沿技術(shù)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展
在前文中提到的光聚合成型3D打印前沿技術(shù)中，香港中文大學(xué)陳世祈教授團(tuán)隊(duì)正在將飛秒投影雙光子光刻技術(shù)（FP-TPL）進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化，已在香港成立公司馭光科技（Astra Optics Limited），并擬在內(nèi)地成立公司。除前述介紹的FP-TPL相關(guān)技術(shù)外，團(tuán)隊(duì)在打印材料方面開發(fā)了水凝膠平臺，通過水凝膠各種相互作用（氫鍵、電荷效應(yīng)、共價鍵等）和樹脂、金屬、半導(dǎo)體、生物蛋白等40多種材料進(jìn)行打印組裝，實(shí)現(xiàn)“多材料”，且打印分辨率達(dá)到亞衍射極限分辨率20-35納米，位置精度與重復(fù)精度達(dá)到-5納米級別。目前已初步完成全球唯一基于FP-TPL技術(shù)的納米超快3D打印設(shè)備樣機(jī)。

結(jié)束語
微納結(jié)構(gòu)器件和超材料有極大的潛在產(chǎn)業(yè)化需求：（1）光學(xué)、醫(yī)療、微電子、微機(jī)電、半導(dǎo)體等微器件需要3D復(fù)雜微納結(jié)構(gòu)；（2）超材料制造依賴3D復(fù)雜微納結(jié)構(gòu)。微納3D打印是實(shí)現(xiàn)微納器件及超材料產(chǎn)業(yè)化的預(yù)期明確的大類路徑，科研界和企業(yè)研發(fā)部門正積極推進(jìn)，已形成對打印系統(tǒng)和服務(wù)的明確需求；隨著細(xì)分技術(shù)路徑、光路器件、控制算法、匹配材料等各方面優(yōu)化，打印速度不斷提升、打印成本不斷下降，企業(yè)生產(chǎn)制造部門對微納3D打印的需求將呈現(xiàn)指數(shù)級增長。


參考資料：1. 蘭紅波等，《微納尺度3D打印》；
2. 戴京等，《3D微納米打印技術(shù)與應(yīng)用研究進(jìn)展》；
3. 趙圓圓等，《光聚合微納3D打印技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢》；
4. 宗學(xué)文等，《高速高精光固化增材制造技術(shù)前沿進(jìn)展》；
以及文中提到所有3D打印細(xì)分技術(shù)路徑對應(yīng)的相關(guān)研究論文，創(chuàng)業(yè)公司案例來源于其各自官網(wǎng)、CrunchBase、V-Next等