Science advances: 基于整体图像旋转堆叠的光固化打印

来源：EngineeringForLife

目前3D打印的快速发展已经彻底改变了机械/声学超材料、生物材料和能源/环境应用结构的制造。其中，光固化打印更是凭借其高特征分辨率，较快的制造速度，较大的制造尺寸等优势，在高分辨率和复杂几何的产品制造领域起到重要作用。然而，现有的光固化仍然存在一些问题，现有光固化打印的成像依赖于单孔径成像系统，导致其必须在打印幅面和打印分辨率之间进行权衡，大大限制了光固化打印大批量生产微观结构的能力。

为解决这一问题，来自Massachusetts Institute of Technology的Nicholas X. Fang教授团队在Science advances期刊上发表了题为“Scalable 3D printing of aperiodic cellular structures by rotational stacking of integral image formation”的文章，提出了一种基于积分图像重建和微透镜阵列的积分光刻技术，以此来同时实现大幅面与高精度的光固化打印。

研究人员首先构建了一套基于微透镜阵列的光固化打印系统，不同于普通的DLP打印机，其光路系统输出的物体图像并非直接投影到打印平面上，而是先投影到一个扩散器上，在这个扩散器后设置一下微透镜阵列，这个阵列中的每一个小透镜都被视作一个物镜，负责将扩散器上的图像投影到打印平面上，因此，一个物体将会被微透镜阵列上许许多多的小透镜进行投影，会在打印平面上呈现出众多的像，由于一个物体可以在打印平面上不同位置呈多个像，因此通过调整光路系统输出的不同物体位置，便可以让不同物体在打印平面所成的像发生重叠，从而实现微小特征的构造。同时，研究人员将微透镜阵列安装于旋转平台上，从而可以实现打印平面上像的位置的旋转，从而构建出更加复杂精细的结构。

图1 用于可缩放3D打印的集成光固化打印系统。（A）集成光固化打印系统的示意图。重建的成像模式由透镜阵列（显示在麻省理工学院机械标志前）与数字显微显示器一起投影。（B至F）在逐层印刷期间，以24.75 mW/cm2的强度，以3至30 s的曝光时间，通过线性堆叠制备周期性微结构。这些多尺度结构由透镜阵列（图4标题和材料与方法中定义的透镜1）产生：（B）立方桁架微晶格（400层，聚合厚度为5至50μm），（C）微晶格的扫描电子显微照片，支撑悬吊梁直径为5μm；（D） 三周期双连续结构（60层，聚合厚度为20μm）；（E） 圆形晶格微折叠（10层，聚合厚度为10μm）；（F） 梯形壳型微结构，具有凹入几何形状（20层，聚合厚度为20μm）。（G至I）在逐层打印期间，通过旋转堆叠产生的具有精确可控角度偏移的非周期微结构。这些结构由透镜阵列（图4标题和材料与方法中定义的透镜2）制成：（G）具有异质子晶格的八倍准晶格和（H）相同子晶格；（一） 以2π/12角堆叠的非周期木桩晶格，具有线性角序列。照片来源：（A和B）Seok Kim，麻省理工学院。

接着,研究人员对微透镜阵列输入与输出的关系展开了进一步研究，他们分别输入了两者情况：1、输入一组图案，观察通过微透镜阵列后打印平面上光强分布；2、将1中的那组图案拆分为3个分解，并从不同位置输入，观察通过微透镜阵列后打印平面上光强分布。结果表明，两者输入会得到完全一致的光强分布，进一步证明了研究人员采取的打印系统的可行性。然后，研究人员还使用旋转平台带动微透镜阵列转动，尝试构建了许多复杂的具有手性或非周期性特征的晶格，进一步证明了其实用价值。

图2 数字控制成像图案。（A）透镜阵列和输入对象之间的几何关系产生万花筒式的交织图案。合成图像投影在透镜阵列（透镜2）的成像平面上，并由光学显微镜捕获。通过透镜阵列并行复制单个对象图像，该透镜阵列捕获对象图像并生成重复图案阵列。基于透镜阵列和单个对象图像之间的交互作用，通过多个复制图像的重叠和叠加形成万花筒式交织图案。比例尺，100μm。（B和C）压缩多投影积分成像模式：（B）相同/分解元素图像（EIs）输入对象与投影输出之间积分成像的矩阵形式。传递矩阵H由其元素hm，n确定，它们表示透镜阵列中单元透镜的脉冲响应函数。m和n分别表示水平方向和垂直方向上透镜阵列中的单元透镜数量；（C） 光学显微镜–由投影像素尺寸（LP）为50μm的数字微显示器创建的整体成像图案的捕获拓扑和横截面强度分布。根据像素距离将强度分布标准化为最大灰度值。（i和ii）同心圆光栅在通过透镜阵列的成像平面上分别具有相同EIs和三个分解EIs的积分成像图案。（D） 通过多重积分投影的具有旋转对称性的非周期格。（i）具有相同双层（角偏移：45°）的准晶格，（ii和iii）具有相同三层（角偏移：±30°）和多层（角偏移：3°）的超晶格，以及（iv）具有异质多层（角偏移：45°）的非公度莫尔晶格的破缺晶格相关对称性。这些结构使用透镜2打印。比例尺，100μm。

随后，研究人员使用该打印系统尝试了高分辨率以及大打印幅面的打印，实现了保证5微米精度的同时具有2500mm2的打印幅面，同时也使用该方法完成了1-2微米特征的构建，除此之外，研究人员还通过旋转与重复曝光，构建出了许多复杂又精细的结构，进一步彰显了该方法的强大潜力。

图3 具有小特征尺寸的可缩放印刷。（A至E）使用透镜1（f=5.5 mm，p=1 mm，有效NA为0.091，总尺寸为50×50 mm2）创建的微结构/颗粒：（A至C）周期性微结构，如纤维晶格，在高达2500 mm2的曝光面积上，最小特征尺寸为~5.3μm；（D） 柔性多臂微粒；（E） 微纹理表面。（F至K）使用透镜3（F=0.57 mm，p=0.25 mm，有效NA 0.219，总尺寸为25×25 mm2）制作的任意微图案/颗粒：（F至I）特征尺寸小于~1.6μm的阵列线和最大曝光面积为625 mm2的阵列字母MiT；（J和K）具有微孔阵列的三维微粒。所有微结构均通过使用相同EIs的积分成像图案进行打印，以24.75 mW/cm2的强度进行3到10 s的单次曝光。使用ImageJ软件对（C）和（I）中所示光学图像的线轮廓进行了定量分析。（五十） 具有（i至iv）线性或（v）非线性角序列的三维木桩晶格形成（i和ii）周期或（iii和v）非周期结构，特征尺寸在x-y平面上小于约20.5μm。根据旋转角度的不同，3D扭曲木桩晶格可以是手性结构[例如，（i）N=3，（iii）N=8]。使用透镜2打印三维木桩结构（f=5.2mm，p=0.15mm，有效NA为0.014，总尺寸为10×10mm2）。照片来源：（A、B、D和J）Seok Kim，麻省理工学院。

最后，研究人员对他们成果进行了分析与总结，对理论打印幅面与打印精度的关系进行了理论公式的推导，并将他们的系统与现在常见的光固化打印系统进行了比较，进一步展示了他们的优势。

图4 积分光刻系统的优值。PμSL方法作为面积构建尺寸（as）与可实现最小特征尺寸（R）函数的比较。虚线表示由以下数字微显示设备分组的分析比例方程：硅上液晶（LCoS）（53）、DMD（49）、微型发光二极管（LED）（54）或液晶显示器（LCD）（55）。使用PμSL（基于单孔径成像系统）的已公布结果绘制数据点，该结果显示出经验缩放依赖性。用于生成图的综合数据集如表S1所示。红点和绿圈分别代表作者获得的实验和计算结果，以确定积分光刻的潜力。连续印刷（11）；体积印刷（17、18）。

文章来源：
DOI: 10.1126/sciadv.abh1200