面投影微立體光刻概述
發布日期:2017-02-27
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面投影微立體光刻(后續簡稱PµLS)是一種層疊三維(3D)打印技術,使用可通過紫外線固化的樹脂單體和投影掩模或者加工過的光掩模打印出物品。PµLS適用于微型設備,是一個相對簡單的生產微米級精度的小型器件的方法。
PµLS的操作過程(如圖1)是讓激光器發射的紫外線反射在一個數字微鏡裝置(DMD)上或者電腦投影的白色區域上,再讓紫外線對層狀的樹脂單體進行曝光。固化后,平臺會下降,因此更多的樹脂單體會流到已固化層之上,新的一層就可以被紫外線照射了。樹脂單體含有一種吸收紫外線的染液來控制光穿透的深度,所以較底層不會被固化。完成的打印物品只用清理掉殘留單體就可被用作為裝置、樣品或者模具。
PµLSE的優勢在于器材相對便宜,投影掩模靈活又易于制作,這個系統既簡單又能制作出十分復雜的3D零件。
此外,PµLS系統在MEMS中還有很多應用,目前的研究興趣在于3D微作動器、為可變材料性能做灰度掩模的可能性和3D毛細管陣列。所有的這些最新進展都突出了立體光刻可增強設計過程的潛力,以及人們能應用3D模型工具的創新方式。
背景
面投影微立體光刻(PµLS)是一種新型微細加工方法,可制作高精度的3D MEMS裝置。為了用該方法制作微型3D結構,一束紫外線光會聚焦于液態紫外線預聚物上,繪制出成品橫截面的薄切片。因為只有在紫外線光束聚焦下的微小面積會被固化,產品可達到5µm X 5µm的尺寸精度。聚焦的深度隨著z平臺的移動而改變。
雖然PµSL的加工可在幾個小時內完成,但是它直寫光刻的本質限制了成品的大規模生產。為了克服PµSL的這一缺陷,我們提議使用并行處理,讓每一層的加工和液態樹脂表面的掩模投影同時進行。在完全與硅工藝兼容的情況下,這種方法可應用于集成電路芯片上微型裝置的加工。但是,這種方法有一個嚴重缺點——它需要多個掩模,這增加了加工的時間和成本。
為避免PµLSE要使用多個掩模這一困難,可用動態掩模來代替多個掩模,動態掩模能夠電子調節光掩模組的圖案而不需要人工替換每層掩模。市場上買到的大型規格動態掩模是微鏡顯示裝置,它最初是為高精度顯示而開發的,同時,它使加工變得更加簡單方便。在我們的實驗中,我們用幻燈片演示的像素,即1024X 768像素進行投影,每層圖像由幻燈片傳輸給電腦再傳給投影儀。
PµLS的應用
PµLS系統有很多應用,目前的研究興趣包括3D微作動器、為可變材料性能做灰度掩模的可能性和3D毛細管陣列。
1、基于水凝膠溶脹行為的微作動器
軟的微作動器可由幾個簡單的PµLS產品制作。它們通過該結構一邊的毛細管吸水并溶脹來工作。溶脹拉緊了該結構并使它彎曲,類似于微壓電式裝置的變化。
這些基于水凝膠溶脹行為的微作動器可被暴露于各種刺激下激活,包括溶劑,溫度和光。它的變化是可逆的,可在短短2秒內完成,使得這種結構在很多軟的機器人應用中非常有用。
2. 灰度掩模
標準的掩模系統只用最大(白色)和最小(黑色/紅色)強度的光來聚合樹脂單體。通過使用灰度圖像,中等強度的光也有可能被使用。灰光可發射能持續變化強度的紫外線,以此能生產出一系列的不同性能產品,也能被用做制作支撐結構。
支撐結構被普遍應用于疊層制造,使立體物體能夠制造出,避免沒有自我支撐能力的立體物體在沒有外力協助的情況下倒塌變形。在PµLSE技術中,問題在于每層必須與前一層緊密相連,否則在后續的固化步驟中,每層會滑離原來位置。一個可移動的支撐結構是不合理的,因為工業上難以移動微觀的部件。通過使用灰度,支撐結構可被部分固化,由于它們較小的分子重量,該結構在打印后會被逐漸蝕刻。
3、毛細管的組織生長和支架
組織生長目前被細胞營養物和氧氣傳輸限制,由于處于體內的細胞必須依賴于擴散作用來獲得生命所需的分子。細胞陣列需要長得厚于數個細胞來產生用于移植的有醫用價值的組織,但類似于一個活的生命體需要維持生命,這些細胞要一個毛細管傳輸系統。PµLS對該問題提供了一個可行的解決方案,即打印3D毛細管陣列。聚合物是半透性的,所以這些細管可模仿活體毛細管。調查已顯示,這些陣列能促進酵母菌細胞生長,并能給青蛙的骨愈合提供支撐結構。
團隊介紹
國際上研究實踐面投影微立體光刻技術產業化的團隊屈指可數,深圳摩方材料科技有限公司位居其一,也是國內的唯一。摩方材料專注于微納尺度3D打印系統及微納米級功能性復合材料的設計,研制,生產,公司核心技術團隊在微納尺度3D打印領域的技術在2015年被美國麻省理工學院科技評論(MIT Technology Review)列為當年度十大具有顛覆性的創新技術之一。