基于面投影微立體光刻技術（PμSL）的3D打印
發布日期：2020-05-21
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面投影微立體光刻（Projection Micro Stereolithography, PμSL）是一種面投影光固化3D打印技術，適用于制作微尺度的復雜三維結構，有著高分辨率、高精度、跨尺度加工、適用材料廣、加工效率高、加工成本低等諸多特點。本文將從成型原理、最小加工特征尺寸、最大成型幅面、適配打印材料、與其他3D打印技術的對比、產業化技術創新等方面，對這一技術進行詳細介紹。
圖1 基于PμSL 光固化3D打印技術制作的復雜三維結構示例
一、成型原理
圖2所示為PμSL 光固化3D打印技術的成型過程，首先使用建模軟件構建出三維結構模型；接著使用切片軟件對三維模型以一定大小的層厚進行切片處理，得到一系列具有特定圖案的二維圖片；然后采用PμSL 3D打印系統對切片后的每一層圖案進行整面投影曝光；反復重復上一步驟并層層堆疊最終成型出所需的三維結構。
圖2 PμSL 光固化3D打印技術成型過程
PμSL 光固化3D打印技術成型三維結構的關鍵在于光敏樹脂材料在紫外光的作用下發生光聚合反應從而固化，而特定圖形的產生則依賴于打印系統中的DMD（Digital Micromirror device）芯片所生成的數字動態掩模。如圖3所示，切片后的模型數據導入到打印系統后，這些二維圖像數據發送至DMD，DMD根據圖像數據控制芯片上各個微鏡（即DMD上的每一像素點）的偏轉。因此，光源發出的紫外光在到達DMD后將重新整形生成與圖形數據一致的光。最后，經調制后的光通過最終物鏡投影至液態樹脂材料表面，對特定區域進行選擇性曝光從而生成特定結構。此外，打印系統還可通過打印平臺的移動，拼接打印出大幅面的圖形結構。
圖3 典型的PμSL 3D打印系統
二、最小加工特征尺寸
通過控制投影物鏡的微縮倍率，PμSL 光固化3D打印技術可以實現幾微米甚至幾百納米的特征尺寸。深圳摩方材料科技有限公司（以下簡稱“摩方”）基于在這一技術領域的多年沉淀，自主研發出了一系列PμSL 3D打印系統，已經量產的產品最高光學分辨率可達2 μm（這里提到的光學分辨率是指投影光單個像素點的大小）。借助這一高分辨系統，2 μm線寬二維網格線條和8.5 μm桿徑三維點陣得以實現（圖4）。
圖4摩方3D打印系統打印的2 μm線寬二維線條和8.5 μm桿徑三維點陣
三、最大成型幅面
PμSL光固化3D打印技術采用整面曝光，其中曝光圖形由DMD控制產生。因此，一般情況下，PμSL 3D打印系統的最大成型幅面取決于光學分辨率大小以及DMD像素點數量，DMD成像芯片尺寸固定，通過投影鏡頭只能實現固定的投影幅面。最大成型幅面與系統光學分辨率呈矛盾關系，即當提高系統光學分辨率時，其最大成型幅面相應減小。拼接技術很好地解決了這一矛盾，使得高分辨、大幅面、跨尺度打印得以實現。以摩方PμSL 3D打印系統為例，固定投影打印與拼接打印的幅面如表1所示。
表1 固定投影打印與最大打印幅面對比
四、適配打印材料
PμSL 光固化3D打印技術的加工成型基于材料的光聚合，因此其打印材料為光敏樹脂材料。針對不同應用需求，硬性樹脂、韌性樹脂、耐高溫樹脂、生物兼容性樹脂、柔性樹脂、透明樹脂、水凝膠等諸多樹脂材料已商業化。除上述純樹脂材料以外，功能顆粒摻入樹脂中形成的復合樹脂材料同樣可用于打印，如磁性顆粒復合樹脂、陶瓷顆粒復合樹脂、金屬顆粒復合樹脂等。
五、與其他3D打印技術的對比
表2是PμSL光固化3D打印技術與其他3D打印技術規格的對比，主要基于已商業化產品的規格對比。熔融沉積成型和聚合物噴射光固化是目前較廣泛的兩種3D打印技術，可實現大尺寸結構的加工成型，但其精度相對較低。激光逐點掃描光固化和雙光子激光直寫技術則可實現非常高的分辨率，然而逐點掃描加工的特性極大地限制了其成型速度。此外，雙光子激光直寫技術的成型尺寸通常在毫米級。相較而言，PμSL 光固化3D打印技術很好地平衡了高精度、高速度、大幅面的特點。
表2 PμSL光固化3D打印技術與其他3D打印技術的對比
六、產業化技術創新
相較于實驗室技術，工業市場對這一技術提出了更多更高要求，包括更廣泛的功能性打印材料、更大的打印幅面、更穩定的公差控制等方面。深圳摩方材料科技有限公司在這一技術的產業化上進行了諸多工業級技術創新，例如增加氣泡消除系統、激光測距、加熱打印等創新功能，用以進一步提高打印質量、精密控制加工公差、拓寬打印材料的范圍，以滿足精密工業設計和制造的需求。
本文對PμSL這一高精度、高速度、大幅面的三維復雜結構成型加工技術進行了簡要介紹，這一技術適用于復雜精密結構一次成型、快速原型器件驗證、小批量功能部件加工等，可用于多個應用領域。后續本公眾號將持續推出關于這一技術的應用案例，敬請期待。
