用于均勻收縮 3D 打印微米和納米結(jié)構(gòu)材料的拾取和放置工藝

來(lái)源：江蘇激光產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟

新加坡科技設(shè)計(jì)大學(xué)(SUTD)、湖南大學(xué)、湖南大學(xué)粵港澳大灣區(qū)創(chuàng)新研究院和新加坡國(guó)立大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種用于均勻收縮 3D 打印微米和納米結(jié)構(gòu)材料的拾取和放置工藝。相關(guān)研究以“Pick and place process for uniform shrinking of 3D printed micro- and nano-architected materials”為題發(fā)表在《Nature Communications》期刊上。

在增材制造技術(shù)中，雙光子聚合光刻技術(shù)（TPL）是有希望制造微米和納米級(jí)特征的技術(shù)之一，TPL技術(shù)具有極高設(shè)計(jì)自由度和超高精度的特點(diǎn)，有望制造定制的微納米級(jí)特征的三維結(jié)構(gòu)，極大地促進(jìn)了力學(xué)、微流體、微型機(jī)器人和生物學(xué)等領(lǐng)域的研究。此外，熱解收縮技術(shù)還能縮短三維光子晶體的晶格常數(shù)，提高其分辨率和機(jī)械性能。然而，由于加熱過(guò)程中的襯底固定，因此這種技術(shù)存在收縮不均勻的問(wèn)題。到目前為止，沒(méi)有任何方法可以使得整個(gè)3D打印的均勻收縮。

研究人員報(bào)道了一種使用聚乙烯醇（PVA）作為功能層來(lái)實(shí)現(xiàn)3D打印結(jié)構(gòu)均勻收縮的簡(jiǎn)單方法。將3D打印結(jié)構(gòu)從原基底上的 PVA 層剝離并轉(zhuǎn)移到接收基底上，使打印結(jié)構(gòu)的基底與接收基底之間形成微弱的相互作用。PVA 是一種水溶性聚合物，可以在使用有機(jī)溶劑的顯影過(guò)程中存留，但很容易溶解于水，這意味著3D結(jié)構(gòu)可以很容易地從原始基底上分離。隨后，對(duì)接收基底上的3D結(jié)構(gòu)進(jìn)行加熱和收縮。PVA 功能層是該方法的一個(gè)優(yōu)勢(shì)，可減輕結(jié)構(gòu)與基底之間的粘附力。研究人員制作了具有各種微米級(jí)和納米級(jí)特征的結(jié)構(gòu)，并在光學(xué)和電子顯微鏡下觀察到均勻收縮，從而證明了這一工藝的能力。

圖1：制造過(guò)程的概念和示意圖

研究人員測(cè)量了所制備結(jié)構(gòu)的表面粗糙度、表面自由能和附著力，以了解均勻收縮的機(jī)制。研究人員展示了各種形狀和尺寸的3D打印樣品在沒(méi)有犧牲支撐結(jié)構(gòu)的情況下成功實(shí)現(xiàn)均勻熱收縮的過(guò)程，并觀察到接收襯底的表面特性是實(shí)現(xiàn)均勻收縮的重要因素。

圖2：具有微觀特征的3D打印模型的均勻收縮

研究人員制作了一個(gè)由納米級(jí)特征尺寸組成的木堆光子晶體結(jié)構(gòu)，以進(jìn)一步檢驗(yàn)該方法的能力。圖3顯示了不同基材上的打印和后處理木樁結(jié)構(gòu)的SEM圖像，加熱到395°C并保持5分鐘。

圖3:不同基材上的收縮結(jié)果比較

圖 4 顯示了在明場(chǎng)反射照明下打印和后處理的木樁結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖像和相應(yīng)的光學(xué)圖像。

圖 4：后處理前后的光譜性能比較

此外，研究人員還打印了一個(gè)色彩豐富、不變形的三維吉祥物模型，然后對(duì)其進(jìn)行均勻收縮，并縮小到70μm大小。利用無(wú)色木堆結(jié)構(gòu)光子晶體產(chǎn)生了鮮艷的色彩。該研究所提出的方法在力學(xué)、光學(xué)和光子學(xué)等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。圖 5 中的明場(chǎng)和暗場(chǎng)照明下的反射光學(xué)圖像顯示了通過(guò)制備兩個(gè)版本（坐著和躺著），從不同角度觀察的打印時(shí)和打印后的3D吉祥物。

圖5：具有納米級(jí)特征的三維光子晶體吉祥物的均勻收縮

這項(xiàng)技術(shù)可輕松控制3D結(jié)構(gòu)在任何形狀、尺寸、位置和方向上的均勻收縮，因此可用于制造具有納米級(jí)特征的高機(jī)械穩(wěn)定性的3D結(jié)構(gòu)。拾取和放置工藝進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了3D打印光學(xué)元件與接收基板上相關(guān)設(shè)備的集成。