AOM: 超高速3D打印个性化定制光学器件

来源：MaterialsViews

3D打印技术由于在复杂三维结构制造、快速个性化定制等方面的独特优势，近年来受到国内外学者的高度关注。然而在光学领域，由于3D打印技术逐层堆叠所导致的层间“台阶”状粗糙表面，所制造的器件表面粗糙度远高于可见光波长（400-700 nm），基本无法应用于光学成像。使用纳米级分辨率的飞秒3D打印技术虽然可以满足打印精度的要求，但极大的牺牲了打印速度。制造毫米尺寸的光学透镜往往需要数天甚至数周的时间才能完成，难以满足光学器件高速个性化定制的需求。


针对上述问题，美国西北大学孙诚教授团队近日提出了一种基于微连续液态界面成形技术（Micro-continuous Liquid Interface Production, μCLIP）的光学透镜超高速3D打印方法。孙教授表示：“虽然我们之前利用面投影微立体光刻技术（PμSL），结合了灰度曝光以及弯液面表面修饰技术，实现了表面粗糙度小于7 nm的光学透镜的增材制造。尽管我们将光学透镜3D打印的速度提升了四个量级（DOI: 10.1002/adma.201705683），但3D打印毫米尺寸的光学透镜仍需花费数小时的时间。从实际应用的角度，我们认为透镜的制造速度仍有很大的提升空间。”

孙教授团队认为，在面投影微立体光刻3D打印透镜过程中，为保证打印精度与表面质量，往往选择了5微米或者更薄的打印层。这样大于90%打印时间被消耗在分层打印之间样品台的往复运动与等待液态光敏树脂流平的过程。而微连续液态界面（μCLIP）成形技术，可以完全避免样品台的往复运动以及流平等待过程，从而极大提升3D打印效率。然而在初步试验中，团队发现连续液态界面成形技术中所广泛使用的聚四氟乙烯（Teflon）膜表面粗糙、且存在不规则微尺度孔洞，这些表面缺陷将导致连续液态界面成形技术中固化“死区”内氧气分布不均匀，并最终导致所制造的器件表面呈现锥状粗糙微结构，无法满足光学器件表面光洁度要求。


为解决该问题，团队使用旋转涂膜法制备了具有光滑表面的高透氧率聚二甲基矽氧烷（PDMS）薄膜，以替代微连续液态界面成形系统中的Teflon薄膜。实验表明，所制备的PDMS薄膜与传统Teflon薄膜相比，两者透氧率与透光率近似，但PDMS薄膜表面质量显著高于Teflon薄膜。团队使用PDMS薄膜对所设计的非球面透镜进行了3D打印试验，结合灰度曝光以及弯液面表面修饰技术，所制造的光学透镜表面粗糙度仅为13.7 nm，具备3.10 微米的成像分辨力，完全满足光学成像的应用需求。

值得注意的是，使用微连续液态界面成形方法进行光学透镜打印，速度达到4.85×103 mm3 h−1，较团队之前所使用的面投影微立体光刻法提升了近200倍。与飞秒3D打印技术相比，速度提高了六个量级。打印3 mm高的光学透镜仅需约2分钟时间。孙教授表示：“微连续液态界面成形技术显著提升了光学器件3D打印的速度，使快速个性化定制光学器件真正成为可能，该技术在自由曲面透镜，生物医用内窥镜，个性化定制隐形眼镜与人工晶状体等领域也具有广阔的应用前景。”


上述研究近期发表于期刊Advanced Optical Materials（DOI: 10.1002/adom.201901646），论文通讯作者为美国西北大学孙诚教授，博士生邵广斌（美国西北大学、哈尔滨工业大学），海日罕（美国西北大学）为论文共同第一作者。