一種長(zhǎng)懸垂結(jié)構(gòu)物體的雙光子聚合微3D打印方法

供稿人：劉子瑋、高琳
供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　
來源：中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)增材制造技術(shù)（3D打印）分會(huì)

3D雙光子聚合（TPP）打印是打印微米和納米級(jí)物體的最成熟的技術(shù)之一。該技術(shù)利用脈沖高能飛秒激光束在3D中局部曝光光反應(yīng)樹脂。這允許在亞微米范圍內(nèi)形成具有非常精細(xì)特征的物體。然而，使用標(biāo)準(zhǔn)液體樹脂進(jìn)行雙光子聚合的3D打印的一個(gè)重要挑戰(zhàn)是打印包含長(zhǎng)懸垂結(jié)構(gòu)的物體，例如懸臂結(jié)構(gòu)。3D對(duì)象模型被切成層，然后逐層連續(xù)打印。由于懸垂結(jié)構(gòu)的前幾層打印層很薄且不穩(wěn)定，它們漂浮在液態(tài)樹脂中，因此很容易由于3D打印系統(tǒng)的振動(dòng)，載物臺(tái)運(yùn)動(dòng)或液態(tài)樹脂內(nèi)部顯微鏡物鏡的運(yùn)動(dòng)引起樹脂運(yùn)動(dòng)而移位。初始打印層的位移通常會(huì)導(dǎo)致打印對(duì)象嚴(yán)重扭曲。

近日，瑞典斯德哥爾摩KTH皇家理工學(xué)院的Frank Niklaus等人[1]通過用短拼接塊打印長(zhǎng)懸垂結(jié)構(gòu)來解決這個(gè)問題，以避免前幾層打印的移動(dòng)。這種方法能夠?qū)�具有大型懸垂結(jié)構(gòu)的物體進(jìn)行微型3D打印，而無需使用支撐或后處理步驟，從而通過雙光子聚合大大擴(kuò)展了微型3D打印的應(yīng)用空間。

3D打印通常有兩種打印模式，即Solid打印模式和Shell & Scaffold（S&S）打印模式，分別對(duì)應(yīng)小打印塊和大打印塊。傳統(tǒng)的3D打印方法使用一種方法打印模型，而作者團(tuán)隊(duì)將兩種打印模式結(jié)合使用，將模型分為不同大小的打印塊，通過兩種打印模式復(fù)合大幅減少了打印層的浮動(dòng)，從而提高了打印效果。

圖1 打印兩個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜁r(shí)使用的不同打印塊類型的排列

正如預(yù)期的那樣，當(dāng)使用概述的傳統(tǒng)雙光子聚合打印方法打印兩個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停▎蚊鎶A緊懸臂和雙面夾緊梁）時(shí)，懸垂部件的浮動(dòng)層導(dǎo)致結(jié)構(gòu)坍塌和嚴(yán)重扭曲。而結(jié)合使用兩種打印模式后，打印層浮動(dòng)的問題大大減輕了。

圖2 3D打印模型的SEM圖片

該方法通過局部調(diào)整打印塊的大小，并根據(jù)打印塊的大小，使用不同的打印模式，使具有懸垂結(jié)構(gòu)的物體的雙光子聚合3D打印成為可能。使用此方法可以3D打印更長(zhǎng)的懸垂結(jié)構(gòu)，僅受所用材料的機(jī)械強(qiáng)度的限制，從而在雙光子聚合的3D打印領(lǐng)域開辟新的令人興奮的途徑和靈活性。

參考文獻(xiàn)：
Marschner D E, Pagliano S, Huang P H, et al. A methodology for two-photon polymerization micro 3D printing of objects with long overhanging structures[J]. Additive Manufacturing, 2023, 66: 103474.