佛罗里达大学：静态液体约束界面立体光刻技术

来源： EngineeringForLife

传统的立体光刻技术3D打印技术由于聚合层粘附在固体约束界面上，打印物体与固体界面的分离需要机械干预，如拉动和滑动。由此产生的分离力与聚合面积成正比，会损坏打印物体结构并降低可靠性。巨大的机械分离力限制了可打印的几何形状，并且对于悬空结构需要添加支撑，导致加工可靠性差，限制了零件的几何设计空间。

近期，来自美国佛罗里达大学的Toshikazu Nishida教授团队在Communication materials上发表了题为“High-resolution stereolithography using a static liquid constrained interface”的文章，通过使用树脂下面的静态惰性不混溶液体作为约束界面，静态液体可以在离散的分层打印和连续打印中减轻粘滞。惰性液体在离散打印过程中起着脱湿界面的作用，在连续打印过程中作为氧的载体抑制聚合。这种方法适用于广泛的曝光条件和树脂性能。文章展示了从16μm到数千微米的多尺度微结构，以及在无支撑的情况下打印长宽比大于50:1的功能器件。

图1 使用静态液体约束界面的立体光刻

液体树脂的光聚合发生在与树脂不混溶的惰性液体的界面附近，固定在树脂下方的惰性液体起约束界面的作用，类似于固体界面，如玻璃、聚二甲基硅氧烷(PDMS)或氟化乙烯丙烯薄膜。在暴露于带图案的紫外线光下，只有树脂经过交联化学反应形成固体聚合物，而惰性液体保持不变。惰性液体具有化学惰性，对于聚合光的波长透明，比树脂密度高，与树脂高度不混溶，表面能低等特点。研究中使用的氟化油惰性液体具有双重功能——用于连续打印的聚合抑制界面和用于离散打印的去湿界面。用氮气降低氟化油惰性液体中的溶解氧浓度可以减小死区厚度，增加横向固化面积。

图2 惰性液体中的氧气含量用于控制死区

使用液体界面用于离散3D打印时，物体的机械分离力几乎为零。因此，液体约束界面为制造大截面面积的结构提供了显著的优势。在打印大悬空和高长宽比的微观结构时，使用固体约束界面时由于粘结力的作用，这些结构很容易失效。通过降低惰性液体的粘度或通过降低拉出速度来减小脱湿距离。此外，氟化油的低表面能允许脱湿发生，而没有形成附着在聚合层上的惰性液体的残余体积。文章还研究了不同曝光剂量以及树脂特性对成型时间的影响。

图3 离散打印中不同条件对横向分辨率的影响

使用静态液体界面,文章演示了各种微器件的制造。如1mm高的螺旋线圈,柱子和漏斗；密集通道阵列(深1 mm，直径75μm的孔，最小实壁宽度16μm)；直径从50μm到500μm的通道阵列；1.5 mm长、60μm宽的悬伸梁，以及快速制造电热致动器等功能式微机电系统。

图4 使用静态液体约束界面制造的各种3D微器件

静态液体约束立体光刻过程减轻了机械分离力，从而实现了具有无约束几何自由度三维物体的可靠制造。该工艺可以使多尺度增材制造成为微加工和软光刻的可行方案，也可以应用到包括生物医学设备、MEMS传感器和驱动器、微型机器人、射频组件、电子封装等多个领域。

棒棒棒:$:$:sleepy: