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Introduction of Projection Micro Litho Stereo Exposure (PμLSE )

2016-11-21

面投影微立体光刻(后续简称PµLSE)是一种层叠三维(3D)打印技术,使用可通过紫外线固化的树脂单体和投影掩模或者加工过的光掩模打印出物品。PµLSE适用于微型设备,是一个相对简单的生产微米级精度的小型器件的方法。

PµLSE的操作过程(如图1)是让激光器发射的紫外线反射在一个数字微镜装置(DMD)上或者电脑投影的白色区域上,再让紫外线对层状的树脂单体进行曝光。固化后,平台会下降,因此更多的树脂单体会流到已固化层之上,新的一层就可以被紫外线照射了。树脂单体含有一种吸收紫外线的染液来控制光穿透的深度,所以较底层不会被固化。完成的打印物品只用清理掉残留单体就可被用作为装置、样品或者模具。

PµLSE的优势在于器材相对便宜,投影掩模灵活又易于制作,这个系统既简单又能制作出十分复杂的3D零件。

此外,PµLSE系统在MEMS中还有很多应用,目前的研究兴趣在于3D微作动器、为可变材料性能做灰度掩模的可能性和3D毛细管阵列。所有的这些最新进展都突出了立体光刻可增强设计过程的潜力,以及人们能应用3D模型工具的创新方式。

背景

微立体光刻(PµLSE)是一种新型微细加工方法,可制作高精度的3D MEMS装置。为了用该方法制作微型3D结构,一束紫外线光会聚焦于液态紫外线预聚物上,绘制出成品横截面的薄切片。因为只有在紫外线光束聚焦下的微小面积会被固化,产品可达到5µm X 5µm的尺寸精度。聚焦的深度随着z平台的移动而改变。

 

虽然µSL的加工可在几个小时内完成,但是它直写光刻的本质限制了成品的大规模生产。为了克服µSL的这一缺陷,我们提议使用并行处理,让每一层的加工和液态树脂表面的掩模投影同时进行。在完全与硅工艺兼容的情况下,这种方法可应用于集成电路芯片上微型装置的加工。但是,这种方法有一个严重缺点——它需要多个掩模,这增加了加工的时间和成本。

 

为避免PµLSE要使用多个掩模这一困难,可用动态掩模来代替多个掩模,动态掩模能够电子调节光掩模组的图案而不需要人工替换每层掩模。市场上买到的大型规格动态掩模是微镜显示装置,它最初是为高精度显示而开发的,同时,它使加工变得更加简单方便。在我们的实验中,我们用幻灯片演示的像素,即1024X 768像素进行投影,每层图像由幻灯片传输给电脑再传给投影仪。


         

PµLSE的应用

PµLSE系统有很多应用,目前的研究兴趣包括3D微作动器、为可变材料性能做灰度掩模的可能性和3D毛细管阵列。

1、基于水凝胶溶胀行为的微作动器

软的微作动器可由几个简单的PµLSE产品制作。它们通过该结构一边的毛细管吸水并溶胀来工作。溶胀拉紧了该结构并使它弯曲,类似于微压电式装置的变化。

这些基于水凝胶溶胀行为的微作动器可被暴露于各种刺激下激活,包括溶剂,温度和光。它的变化是可逆的,可在短短2秒内完成,使得这种结构在很多软的机器人应用中非常有用。


 

2. 灰度掩模

标准的掩模系统只用最大(白色)和最小(黑色/红色)强度的光来聚合树脂单体。通过使用灰度图像,中等强度的光也有可能被使用。灰光可发射能持续变化强度的紫外线,以此能生产出一系列的不同性能产品,也能被用做制作支撑结构。

支撑结构被普遍应用于叠层制造,使立体物体能够制造出,避免没有自我支撑能力的立体物体在没有外力协助的情况下倒塌变形。在PµLSE技术中,问题在于每层必须与前一层紧密相连,否则在后续的固化步骤中,每层会滑离原来位置。一个可移动的支撑结构是不合理的,因为工业上难以移动微观的部件。通过使用灰度,支撑结构可被部分固化,由于它们较小的分子重量,该结构在打印后会被逐渐蚀刻。


3、毛细管的组织生长和支架

组织生长目前被细胞营养物和氧气传输限制,由于处于体内的细胞必须依赖于扩散作用来获得生命所需的分子。细胞阵列需要长得厚于数个细胞来产生用于移植的有医用价值的组织,但类似于一个活的生命体需要维持生命,这些细胞要一个毛细管传输系统。PµLSE对该问题提供了一个可行的解决方案,即打印3D毛细管阵列。聚合物是半透性的,所以这些细管可模仿活体毛细管。调查已显示,这些阵列能促进酵母菌细胞生长,并能给青蛙的骨愈合提供支撑结构。

 

团队介绍

国际上研究实践面投影微立体光刻技术产业化的团队屈指可数,深圳摩方材料科技有限公司位居其一,也是国内的唯一。摩方材料专注于微纳尺度3D打印系统及微纳米级功能性复合材料的设计,研制,生产,公司核心技术团队在微纳尺度3D打印领域的技术在2015年被美国麻省理工学院科技评论(MIT Technology Review)列为当年度十大具有颠覆性的创新技术之一。

 

 

 

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