用于透明微流体装置制造的原位转移式光聚合技术

3D打印前沿
2022
05/05
16:25
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供稿人:王帅伟 连芩 供稿单位:西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室 


软光刻技术作为一种新型的光刻技术,相比传统光刻技术可以打印出更加精细的结构。因此,软光刻技术已经应用于电子、生物、微电子、传感器等加工领域。虽然VPP(Vat photopolymerization)技术相比软光刻技术来说在进行打印时更加高效,但是难以在打印方向上良好地控制生成微米级(<100μm)通道。南加州大学先进制造中心的Daniel J. Epstein等人[1]提出使用3D打印与原位转移式光聚合技术(IST-VPP),解决在打印透明微流体器件时,透明树脂易过固化,从而造成固化树脂阻塞微流体通道导致堵塞这一问题。

相比传统光刻装置,该装置具有一个由两个额外的电动线性平台驱动的辅助平台,如(图1a)所示。同时,研究人员使用简化的Y结流体混合器模型(图1c)来说明打印过程(图1d-i)。

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图1 IST-VPP工艺原理[1] a)IST-VPP装置的详细结构。b) VPP打印过程中不同材料界面不同接触区域的分离力测量。c)简化的Y结流体混合器模型及其三个正交视图。d、e)主构建平台和相应的投影图像。f)使用辅助平台和相应的灰度蒙版图像制作通道顶部。g、h)通道的两部分进行粘接。i)制造零件的其余部分。

如图2所示,为了验证IST-VPP是否可以实现精确的微流体通道高度控制,研究人员首先设计了一个单层微流体通道的零件的CAD模型,其中包含一层具有10、20、30、40、50和60μm高度的嵌入式通道(图2a)。通道宽度为75μm(所用 DLP系统的4像素大小)。SEM图像(图2b)给出了打印通道的详细横截面轮廓。对于10μm高度的通道(用绿色圈出)。为了进一步验证所提出的方法制造多层微通道的可行性,研究人员制作了一个具有24个通道的模型,其高度从10μm到60μm(图2c)。SEM结果(图2d)和统计结果(图2e)表明他们的平均误差为<1.5μm,达到了系统所使用的Z轴移动距离的精度极限。此外,该团队还使用该方法打印出微流体阀和微粒分选装置。
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图2 通过IST-VPP制造微流体通道[1] a)嵌入了单层微流体通道的零件的CAD模型。b)微流体通道横截面的扫描电镜图像。c)具有多层微流体通道的部件的CAD模型。d)多层微流体通道截面的扫描电镜图像。e)预制通道高度的统计结果。

这项研究提出了一种基于VPP技术的成形方法,所制造的微流体通道在Z向上分辨率<10μm,在XY平面上精度在±1μm内。 研究人员还提出如果该装置使用具有亚微米分辨率的Z向压电传动轴能实现接近TTP(Two photon polymerization)的分辨率。 而且,相比TPP,这种方法的打印速度超过100倍,成本降低100倍。 总之,该系统具有显着的微细结构打印优势。
参考文献:

    徐 Y,齐 F,毛 H,等。 用于透明微流控器件制造的原位转移缸光聚合[J]. 自然通讯,2022 年,13(1)。



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