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Technical articles 面投影微立體光刻(Projection Micro Stereolithography, PμSL)是一種面投影光固化3D打印技術(shù),適用于制作微尺度的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu),有著高分辨率、高精度、跨尺度加工、適用材料廣、加工效率高、加工成本低等諸多特點(diǎn)。本文將從成型原理、最小加工特征尺寸、最大成型幅面、適配打印材料、與其他3D打印技術(shù)的對(duì)比、產(chǎn)業(yè)化技術(shù)創(chuàng)新等方面,對(duì)這一技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)介紹。
圖1 基于PμSL3D打印技術(shù)制作的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)示例
一、成型原理
圖2所示為PμSL 3D打印技術(shù)的成型過(guò)程,首先使用建模軟件構(gòu)建出三維結(jié)構(gòu)模型;接著使用切片軟件對(duì)三維模型以一定大小的層厚進(jìn)行切片處理,得到一系列具有特定圖案的二維圖片;然后采用PμSL 3D打印系統(tǒng)對(duì)切片后的每一層圖案進(jìn)行整面投影曝光;反復(fù)重復(fù)上一步驟并層層堆疊最終成型出所需的三維結(jié)構(gòu)。
圖2 PμSL3D打印技術(shù)成型過(guò)程
PμSL3D打印技術(shù)成型三維結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵在于光敏樹(shù)脂材料在紫外光的作用下發(fā)生光聚合反應(yīng)從而固化,而特定圖形的產(chǎn)生則依賴于打印系統(tǒng)中的DMD(Digital Micromirror device)芯片所生成的數(shù)字動(dòng)態(tài)掩模。如圖3所示,切片后的模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入到打印系統(tǒng)后,這些二維圖像數(shù)據(jù)發(fā)送至DMD,DMD根據(jù)圖像數(shù)據(jù)控制芯片上各個(gè)微鏡(即DMD上的每一像素點(diǎn))的偏轉(zhuǎn)。因此,光源發(fā)出的紫外光在到達(dá)DMD后將重新整形生成與圖形數(shù)據(jù)一致的光。最后,經(jīng)調(diào)制后的光通過(guò)最終物鏡投影至液態(tài)樹(shù)脂材料表面,對(duì)特定區(qū)域進(jìn)行選擇性曝光從而生成特定結(jié)構(gòu)。此外,打印系統(tǒng)還可通過(guò)打印平臺(tái)的移動(dòng),拼接打印出大幅面的圖形結(jié)構(gòu)。
圖3 典型的PμSL3D打印系統(tǒng)
二、最小加工特征尺寸
通過(guò)控制投影物鏡的微縮倍率,PμSL 3D打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)幾微米甚至幾百納米的特征尺寸。深圳摩方材料科技有限公司(以下簡(jiǎn)稱“摩方")基于在這一技術(shù)領(lǐng)域的多年沉淀,自主研發(fā)出了一系列PμSL3D打印系統(tǒng),已經(jīng)量產(chǎn)的產(chǎn)品最高光學(xué)分辨率可達(dá)2 μm(這里提到的光學(xué)分辨率是指投影光單個(gè)像素點(diǎn)的大?。?。借助這一高分辨系統(tǒng),2 μm線寬二維網(wǎng)格線條和8.5 μm桿徑三維點(diǎn)陣得以實(shí)現(xiàn)(圖4)。
圖4 摩方3D打印系統(tǒng)打印的2 μm線寬二維線條和8.5 μm桿徑三維點(diǎn)陣
三、最大成型幅面
PμSL技術(shù)采用整面曝光,其中曝光圖形由DMD控制產(chǎn)生。因此,一般情況下,PμSL 3D打印系統(tǒng)的最大成型幅面取決于光學(xué)分辨率大小以及DMD像素點(diǎn)數(shù)量,DMD成像芯片尺寸固定,通過(guò)投影鏡頭只能實(shí)現(xiàn)固定的投影幅面。最大成型幅面與系統(tǒng)光學(xué)分辨率呈矛盾關(guān)系,即當(dāng)提高系統(tǒng)光學(xué)分辨率時(shí),其最大成型幅面相應(yīng)減小。拼接技術(shù)很好地解決了這一矛盾,使得高分辨、大幅面、跨尺度打印得以實(shí)現(xiàn)。以摩方PμSL3D打印系統(tǒng)為例,固定投影打印與拼接打印的幅面如表1所示。
表1 固定投影打印與最大打印幅面對(duì)比
四、適配打印材料
PμSL3D打印技術(shù)的加工成型基于材料的光聚合,因此其打印材料為光敏樹(shù)脂材料。針對(duì)不同應(yīng)用需求,硬性樹(shù)脂、韌性樹(shù)脂、耐高溫樹(shù)脂、生物兼容性樹(shù)脂、柔性樹(shù)脂、透明樹(shù)脂、水凝膠等諸多樹(shù)脂材料已商業(yè)化。除上述純樹(shù)脂材料以外,功能顆粒摻入樹(shù)脂中形成的復(fù)合樹(shù)脂材料同樣可用于打印,如磁性顆粒復(fù)合樹(shù)脂、陶瓷顆粒復(fù)合樹(shù)脂、金屬顆粒復(fù)合樹(shù)脂等。
五、與其他3D打印技術(shù)的對(duì)比
表2是PμSL技術(shù)與其他3D打印技術(shù)規(guī)格的對(duì)比,主要基于已商業(yè)化產(chǎn)品的規(guī)格對(duì)比。熔融沉積成型和聚合物噴射光固化是目前較廣泛的兩種3D打印技術(shù),可實(shí)現(xiàn)大尺寸結(jié)構(gòu)的加工成型,但其精度相對(duì)較低。激光逐點(diǎn)掃描光固化和雙光子激光直寫(xiě)技術(shù)則可實(shí)現(xiàn)非常高的分辨率,然而逐點(diǎn)掃描加工的特性極大地限制了其成型速度。此外,雙光子激光直寫(xiě)技術(shù)的成型尺寸通常在毫米級(jí)。相較而言,PμSL3D打印技術(shù)很好地平衡了高精度、高速度、大幅面的特點(diǎn)。
表2 PμSL技術(shù)與其他3D打印技術(shù)的對(duì)比
六、產(chǎn)業(yè)化技術(shù)創(chuàng)新
相較于實(shí)驗(yàn)室技術(shù),工業(yè)市場(chǎng)對(duì)這一技術(shù)提出了更多更高要求,包括更廣泛的功能性打印材料、更大的打印幅面、更穩(wěn)定的公差控制等方面。深圳摩方材料科技有限公司在這一技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化上進(jìn)行了諸多工業(yè)級(jí)技術(shù)創(chuàng)新,例如增加氣泡消除系統(tǒng)、激光測(cè)距、加熱打印等創(chuàng)新功能,用以進(jìn)一步提高打印質(zhì)量、精密控制加工公差、拓寬打印材料的范圍,以滿足精密工業(yè)設(shè)計(jì)和制造的需求。
本文對(duì)PμSL這一高精度、高速度、大幅面的三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)成型加工技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹,這一技術(shù)適用于復(fù)雜精密結(jié)構(gòu)一次成型、快速原型器件驗(yàn)證、小批量功能部件加工等,可用于多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。后續(xù)本公眾號(hào)將持續(xù)推出關(guān)于這一技術(shù)的應(yīng)用案例,敬請(qǐng)期待。