微纳3D打印的现状、前沿和产业化进展

来源： 国华投资

微纳（包括微米级和纳米级的分辨率、精度）3D打印是目前全球先进制造热点之一。（1）随着光学、医疗、电子等应用领域的器件微型化、功能化和集成化的发展趋势，越来越多的器件的核心设计都依赖于3D复杂微纳结构；（2）超材料制造也依赖于3D复杂微纳结构。

目前能实现纳米级制造（加工），并已经商业化或正在商业化技术路径的大类包括深紫外光刻、纳米压印、电子束加工（电能最终转化为热能）、离子束加工（电能转化为动能，离子刻蚀、离子镀膜和离子注入），主要制造（加工）平面结构（例如集成电路、膜材等）。即使通过辅助工艺手段（如选择性刻蚀、热回流）,也只能获得2.5D结构（如金字塔结构、微针结构、微透镜结构等）。而微纳 3D 打印这一大类别的技术路径（广义概念也包括基于光聚合成型的灰度光刻）在复杂3D微纳结构、高深宽比微纳结构以及复合材料3D微纳结构制造方面都具有很大的潜能和突出优势，而且还具有设备简单、效率高、用材广泛、无需掩模或模具直接成型等优点。

一、微纳3D打印技术现状
从基本技术原理和工艺上划分，微纳 3D 打印可细分为微立体光刻（Micro Stereo Lithography, MSL/mSL或Masked Stereo Lithography Apparatus, MSLA) 、微激光烧结(MSLS) 、熔融沉积造型（Fused Deposition Modeling, FDM）、片材层压（Laminated Object Manufacturing, LOM） 、双光子聚合（Two-Photon Polymerization, TPP）、直写成型技术（Direct Ink Writing, DIW） 、电喷印（Electro hydrodynamic jet printing, E-jet）、电化学沉积（Electrochemical Fabrication, EFAB）等技术路径小类别，相关技术（工艺）的比较如下面两张表所示。

基于光聚合成型的微立体光刻(单光子吸收)、双光子聚合是目前最具有代表性的微纳尺度3D 打印技术。光聚合成型的微纳3D打印技术主要利用连续、脉冲激光或者LED光作为能量源，采用分层扫描、叠加成型的方式，将三维模型逐层分解为二维模型，并进一步与显微成像光学系统结合对光束进行缩束或者聚焦，在微纳尺度上控制光聚合反应过程，实现微纳三维结构的打印制造。其中双光子聚合技术的打印分辨率最高，是目前唯一可达到纳米级精度的微纳3D打印技术细分路径。在基于光聚合成型的系统设计上，又可以分为激光直写型和面投影曝光型，主要区别在于后者的系统光路中有数字掩膜生成系统。

二、光聚合成型3D打印前沿技术
光聚合成型3D打印前沿（相对而言，因细分技术路径迭代较快）技术主要有：
（1）Carbon3D 公司John Tumbleston等提出的连续液面生长技术（Continuous Liquid Interface Production，CLIP），利用光敏树脂在常温下的氧阻聚效应，实现掩模固化方法；
（2）密歇根大学Martin de Beer等提出的双波长光源直写光刻技术（Dual Wavelength Lights-Direct Write Photolithography，DWL-DWP），使用2种不同波长光源实现连续打印目标,采用直接抑制光掩模照射非固化区域，诱发树脂体系中抑制剂活性激发；
（3）西北大学David Walker等提出的高速大尺寸技术（High-Area Rapid Printing，HARP），能够以极高的垂直打印速度将大尺寸零件连续打印出来；
（4）香港中文大学陈世祈团队提出的飞秒投影双光子光刻技术（Femtosecond Project Two-Photon Lithography，FP-TPL），结合飞秒投影的并行双光子光刻处理，可确保同时对超快光进行时空聚焦;
（5）西安科技大学宗学文团队提出的双紫外臭氧动态掩模技术（Dual-Ultraviolet Ozone Dynamic Mask，DUO-BM），依据Chapman臭氧循环理论，实现的机械、化学、物理过程包含复杂的协同机制，用于传统紫外印刷固化工艺，可以替代铝合金制版工序；
（6）加州大学伯克利分校Brett Kelly等提出的计算轴向光刻技术（Computed Axial Lithography，CAL），基于一种广泛应用于医学成像和无损检测的CT 图像重建程序，将之前光固化的点扫描线成型、面成型直接发展到体成型方法；
（7）美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室Maxim Shusteff等提出的激光全息投影技术（Project Holographic Optical Fields，PHOF），通过3D 全息光场在多个轴向平面或3D空间上投影，来自不同方向的多束光在光敏树脂中叠加形成数字化图案进行曝光。7 种前沿技术的技术原理、关键器件能力限制、创新特点和其面临的工程应用问题具体如下表所示。

以上7种前沿技术，CLIP、DWL-DWP、HARP主要优势是高速打印，精度不高；FP-TPL在双光子聚合打印精度（可到纳米级）的基础上，打印速度极大提升，但对系统中光学器件的精度、可靠性以及系统控制算法都有较高要求；DUO-BM主要用于掩膜成型；CAL、PHOF是体成型（不需要逐层打印）技术，成型速度很快，但精度不高（CAL的精度目前只能达到亚毫米级），且不能打印空心结构。

三、微纳3D打印的产业化进展
（一）应用领域
近年来,国内外科研界和企业研发部门已经开发出适用于多种材料(有机聚合物、金属、玻璃、陶瓷、生物材料、复合材料等)多种类型的微纳3D 打印技术。微纳3D打印可广泛应用于微纳机电系统、微纳光学器件、微纳传感器、印刷电子、微纳生物医疗器械、生物组织工程、生物芯片、微流控器件以及超材料等领域。

（二）微纳3D打印系统厂商一览
目前全球商用的生产微纳打印系统（设备+材料）公司包括Nanoscribe、Boston Micro Fabrication（即摩方精密）、Microlight3D、UpNano（与Cubicure合作）、Heidelberg Instruments等基于光聚合成型技术的公司；此外还包括Nano Dimension（PCB打印）、3D Micro Print（微激光烧结）、Nano Fabrica（已被Nano Dimension收购）、Exaddon（电化学沉积）、Cytosurge（微流控+原子力显微镜）、Fluicell（微流控）等非光聚合成型技术路径的微打印公司。光聚合成型的微纳3D打印代表性公司如下：

1. Nanoscribe
Nanoscribe成立于2007年，总部位于德国卡尔斯鲁厄，拥有卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）的技术背景和卡尔蔡司公司的支持。经过十几年的不断研究和成长，Nanoscribe已成为微纳米生产的先驱和3D打印市场的领导者，推动着诸如力学超材料，微纳机器人，再生医学工程，微光学等创新领域的研究和发展，并提供优化制程方案。Nanoscribe将年营业额的25%投入到未来的微纳制造技术的研发。其在全球拥有超过70位高素质的员工，致力于双光子聚合技术的研发制造与售后服务事业。提供整套硬件，软件，打印材料和工艺技术一站式服务，以协助用户实现复杂三维微纳米结构加工的需求。遍布全球30多个国家，超过2000名用户正在使用Nanoscribe的产品。包括多所全球前十顶尖大学，例如哈佛大学，斯坦福大学，加州理工学院，牛津大学，伦敦帝国理工学院，苏黎世联邦理工学院等等。2021年，Nanoscribe被瑞典3D生物打印设备商CELLINK公司以5000万欧元估值收购，收购后维持独立运营。

2. Microlight3D
Microlight3D成立于2016年，总部位于法国，是一家生产用于工业和科学应用的高分辨率微尺度2D和3D打印系统的专业制造商。MicroFAB-3D光刻机是该公司于2019年推出的第一台紧凑台式双光子聚合系统，一经推出便得到客户的广泛好评。MicroFAB-3D基于双光子聚合激光直写技术，可在各种光敏材料上制造出最小尺寸可达67nm的二维和三维特征结构，兼容各种聚合物，包括生物兼容性材料、医用树脂和生物材料，为微流控、微光学、细胞培养、微机器人或人造材料领域开辟了新的前景。

3. 摩方精密
重庆摩方精密科技股份有限公司（BMF Precision Tech Inc.），精密增材制造量身定做。其nanoArch®系列3D打印设备采用面投影微立体光刻（PμSL: Projection Micro Stereolithography）技术，是目前行业极少能实现超高打印精度、高公差加工能力的3D打印系统。PμSL技术使用高精度紫外光刻投影系统，将需打印模型分层投影至树脂液面，快速微立体成型，从数字模型直接加工三维复杂工业样件。该技术具有成型效率高、加工成本低等突出优势，被认为是目前最具有前景的微尺度加工技术之一。作为高精密增材制造领域的企业，摩方公司已和众多全球知名企业开展业务合作，包括GE医疗、美国强生、日本电装、安费诺、泰科电子等，产品广泛应用在连接器、精密医疗器械、消费电子、精密加工等行业。作为微纳3D打印的先行者，在三维复杂结构微加工领域，摩方团队拥有超过二十年的科研及工程实践经验。针对客户在新产品开发中可能出现的工艺和材料难题，我们将持续提供简易高效的技术支持方案。摩方自主研发的3D打印系统也已被北京大学、浙江大学、北航、中石油、英国诺丁汉、德国德累斯顿理工、新加坡南洋理工等众多全球高校和科研机构所使用。

4. 魔技科技
魔技纳米科技有限公司是三维微纳制造领域集研发、生产、销售、服务于一体的高新技术企业。核心研发团队拥有12年以上超快激光三维加工设备研发经验，致力打造具有自主知识产权的超稳定纳米级三维激光光刻直写制造系统，实现加工精度达70纳米的三维加工能力，提供集先进光学系统、控制系统、整机设计于一体的光机电系统完整技术方案。深入生物医疗、光电通信、新材料、微纳器件等多个产业应用领域，并拥有应用于多行业场景的成熟加工工艺。可定制研发适配各产业领域生产需求的个性化设备和产品，突破生物制药、传感、光电芯片、超材料等领域从科研到工业生产的屏障，将纳米级制造精度和大范围生产相结合，提供针对精密智造领域的整套专业解决方案。

（三）前沿技术产业化进展
在前文中提到的光聚合成型3D打印前沿技术中，香港中文大学陈世祈教授团队正在将飞秒投影双光子光刻技术（FP-TPL）进行产业化，已在香港成立公司馭光科技（Astra Optics Limited），并拟在内地成立公司。除前述介绍的FP-TPL相关技术外，团队在打印材料方面开发了水凝胶平台，通过水凝胶各种相互作用（氢键、电荷效应、共价键等）和树脂、金属、半导体、生物蛋白等40多种材料进行打印组装，实现“多材料”，且打印分辨率达到亚衍射极限分辨率20-35纳米，位置精度与重复精度达到-5纳米级别。目前已初步完成全球唯一基于FP-TPL技术的纳米超快3D打印设备样机。

结束语
微纳结构器件和超材料有极大的潜在产业化需求：（1）光学、医疗、微电子、微机电、半导体等微器件需要3D复杂微纳结构；（2）超材料制造依赖3D复杂微纳结构。微纳3D打印是实现微纳器件及超材料产业化的预期明确的大类路径，科研界和企业研发部门正积极推进，已形成对打印系统和服务的明确需求；随着细分技术路径、光路器件、控制算法、匹配材料等各方面优化，打印速度不断提升、打印成本不断下降，企业生产制造部门对微纳3D打印的需求将呈现指数级增长。


参考资料：1. 兰红波等，《微纳尺度3D打印》；
2. 戴京等，《3D微纳米打印技术与应用研究进展》；
3. 赵圆圆等，《光聚合微纳3D打印技术的发展现状与趋势》；
4. 宗学文等，《高速高精光固化增材制造技术前沿进展》；
以及文中提到所有3D打印细分技术路径对应的相关研究论文，创业公司案例来源于其各自官网、CrunchBase、V-Next等