基于投影微立體光刻的3D打印技術及其應用

文章導讀

投影微立體光刻(Projection Micro Stereolithography – PμSL)是一種基于面投影光固化原理的高精度（最高可達0.6微米）增材制造（3D打印）技術。該技術可以用于制造具有跨尺度與多材料特性的高精度復雜三維結構，在力學超材料、光學器件、4D打印、仿生材料及生物醫學等領域具有廣闊的應用前景。南方科技大學、深圳摩方材科技有限公司、湖南大學、麻省理工學院等單位的葛锜、李志琴、王兆龍、周建林、Nicholas X Fang等作者在《極端制造》期刊（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上發表《基于投影微立體光刻的3D打印技術及其應用》綜述，系統介紹了投影微立體光刻3D打印技術的研究背景、最新進展及未來展望。

研究背景

增材制造，又稱3D打印，是一種以數字模型文件為基礎，將部件離散成二維圖形或者路徑，通過逐層疊加的方式構造三維物體的快速成型技術。對比于傳統制造方法，3D打印因具有制造高精度復雜三維結構、節省材料、方便快捷等優點，已被應用到航空航天、生物醫療、電子、汽車等國民經濟領域。自被發明以來，3D打印發展出了各種不同的技術，包括熔融沉積成型(FDM)、墨水直寫(DIW)、噴墨(Inkjet)、立體光刻(SLA)、選區激光燒結/熔融(SLS/SLM)、雙光子(TPP)，以及基于數字光處理(DLP)的連續液體界面制造(CLIP)、大面積快速打印(HARP)、投影微立體光刻技術(PμSL)等。對比于其他3D打印技術，投影微立體光刻3D打印技術因其可同時實現高分辨率與大幅面3D打印（圖1），被應用于前沿領域的復雜三維結構制造，并產生了一系列具有影響力的科研成果。南方科技大學葛锜副教授、湖南大學王兆龍助理教授與麻省理工學院Fang教授團隊聯合深圳摩方材科技有限公司針對投影微立體光刻光固化3D打印技術在最近所做的相關代表性工作逐一地進行了詳細介紹。

圖1 不同3D打印技術的打印精度與幅面范圍

最新進展

投影微立體光刻是一種通過將構成三維模型的二維離散圖案投影到光敏樹脂表面，激發局部光固化反應的方式，逐層疊加成型三維結構的3D打印技術。通過對光路系統、光源以及打印工藝的優化，最高打印精度可達到0.6微米。面投影微立體光刻因其能夠快速一體化成型高精度、跨尺度、多材料復雜三維結構，在力學超材料、光學器件、4D打印、仿生材料以及生物醫藥方面應用廣泛。深圳摩方科技有限公司將原有投影微立體光刻光固化3D打印技術進行發展與升級（圖2a），并成功地將其轉化為工業級3D打印裝備，實現了穩定的超高精度-大幅面3D打印（精度：2微米，幅面：50毫米×50毫米；精度：10微米精度，幅面：94毫米×52毫米幅面），用于力學超材料、生物醫療器件、微力學器件及精密結構件等工業應用（圖2b-j）。

圖2 投影微立體光刻光固化3D技術及其相關工業級應用。（a）高精度-大幅面投影微立體光刻3D打印技術原理；（b）-（j）工業級應用典型案例。

在實現跨尺度、多材料3D打印方面，采用面投影與圖形掃描技術相結合的方法實現了跨尺度3D打印(圖3a)，采用吹氣輔助投影微立體光刻法(圖3b)與流體控制法(圖3c)實現了多材料三維結構的快速打印。

圖3 跨尺度、多材料3D打印。（a）面投影與圖形掃描結合實現跨尺度3D打印；（b）吹氣輔助多材料3D打印；（c）流體控制輔助多材料3D打印。

在實現力學超材料方面，通過投影微立體光刻3D打印技術一次成型以拉壓變形占主導的八隅體桁架結構超輕-超硬力學超材料（圖4a），通過多材料投影微立體光刻3D打印技術一次成型由兩種不同剛度和熱膨脹系數材料構成的負熱膨脹系數超材料（圖4b）。

圖4 力學超材料。（a）超輕-超硬力學超材料；（b）負熱膨脹系數超材料。

在光學器件打印方面，采用面投影立體光刻灰度曝光與表面浸潤相結合的方法，實現光學鏡頭的3D打印（圖5a），以及振動輔助與灰度曝光相結合的方法，實現表面納米級光滑度的微透鏡陣列3D打印（圖5b）。

圖5 光學器件。（a）灰度曝光與表面浸潤相結合實現光學鏡頭3D打印；（b）振動輔助與灰度曝光結合實現微透鏡陣列3D打印。

在4D打印方面，通過開發形狀記憶光敏樹脂，實現了大變形4D打印（圖6a）、多材料4D打印（圖6b）、自修4D打印（圖6c），4D打印超材料結構（圖6d）與4D打印吸能結構（圖6e）等案例。

圖6 4D打印。（a）大變形4D打印；（b）多材料4D打印；（c）自修4D打印;（d）4D打印超材料結構；（e）4D打印吸能結構。

未來展望

盡管面投影微立體光刻3D打印技術在近年來取得了快速的發展，但仍面臨著如海量的圖片數據傳輸與存儲、多材料體素打印精確控制、高精度陶瓷打印等問題，亟待解決。

作者

葛锜、李志琴、王兆龍、Kavin Kowsari、張旺、何向楠、周建林、Nicholas X Fang

作者簡介

葛锜博士，南方科技大學機械與能源工程系長聘副教授。長期從事面投影微立體光刻3D打印技術研究，主要研究領域為4D打印、多功能3D打印、軟物質力學、軟體機器人、柔性電子等。

王兆龍博士，湖南大學機械與運載工程學院助理教授，長期從事微立體光刻3D打印，光學超材料及微流與熱控理論及技術研究，先后參與包括重點國際（地區）合作研究項目及國家重點研發計劃在內的多項國家自然科學基金和科技部重點研發項目。目前承擔湖南省優秀青年基金及廣東省重點領域研發計劃等多項科研項目。

Nicholas X. Fang博士，麻省理工學院機械系教授，長期從事包括微立體光刻3D打印技術在內的微納技術研究，研究領域包括納米光學、聲學超材料、微納制造、軟物質等。

單位

1 Southern University of Science and Technology, China

2 BMF Material Technology Inc., Shenzhen, China

3 Hunan University, China

4 Massachusetts Institute of Technology, USA

5 Singapore University of Technology and Design, Singapore

Citation

Ge Q, Li Z Q, Wang Z L, Kowsari K, Zhang W et al. Projection micro stereolithography based 3D printing and its applications.  Int. J. Extrem. Manuf. 2, 022004 (2020).