麻省理工《Science Advances》：一种新的立体光刻增材制造技术！

投影微立体光刻在增材制造方法中的局限性是，它们通常使用单孔径成像结构，由于图像分辨率和图像场面积之间的权衡，限制了它们产生大体积微结构的能力。在此，来自美国麻省理工学院的NICHOLAS X.FANG 等研究者，提出了一种基于平面透镜阵列的积分图像重建的积分光刻技术。相关论文以题为“Scalable 3D printing of aperiodic cellular structures by rotational stacking of integral image formation”发表在Science Advances上。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abh1200

三维(3D)打印结构制造的快速发展，彻底改变了力学/声学超材料功能结构、细胞力学生物材料和能源/环境应用结构的生产。例如，3D微结构与力学顺应材料和定制构建的支架，为生物相容性和确定的硬度提供了量身定制的功能。此外，功能结构在催化体系中的应用，通过使用微尺度和纳米尺度的结构来提高效率，设计的目的是在降低质量的情况下增加比表面积和体积比。此外，随着增材制造技术的进步，可以在各种空间尺度甚至亚微米尺度下，制造具有复杂结构的功能结构。常用的立体光刻技术，支持高分辨率和几何复杂产品的制作，最近的进展已经大大提高了特征分辨率、速度和构建尺寸。例如，数字微镜装置和空间光调制器，可用于大面积的固化[称为投影微立体光刻(PμSL)]，而不是单点或多点激光系统使用的传统跟踪方法。最近的工作已经证明了PμSL的变体，它结合了串行打印过程，在不牺牲分辨率的情况下，许多重复的扫描周期扩展了总体构建大小。PμSL的一个最新衍生物，命名为体积打印，克服了目前的逐层制造方法，几乎在瞬间制造出3D物体。

然而，尽管有这些系统改进，传统的PμSL方法使用的成像平台依赖于单孔径成像系统，在该系统中，入射图像直接聚焦在单个平面区域。因此，像素化数字投影系统的空间带宽乘积(SBP)，从根本上限制了空间信息的传输量。SBP定义为实现最大信息容量所需的像素数。无论成像光学的数值孔径(NA)或放大倍数(M)如何，传统PμSL平台的收缩压一般都在百万像素范围内。这导致了可实现的最小特征大小和总图像面积之间的权衡。为了进一步推进微结构3D打印在生产中的应用，必须消除这种权衡。

这个问题可以潜在地通过使用图像倍增策略(即，数字增加)结合平面微光学成像系统来解决。随着低成本和大规模微透镜阵列制造技术的不断发展，微光学器件已成为集成成像3D显示器等大面积显示应用的有前途的工具。这些制造技术的一个好处是它们是可伸缩的。微光学成像设备的图像倍增，已经在塔尔博特阵列照明和微透镜投影光刻中得到了证明，可用于制造亚微米的二维晶格结构。然而，静态掩模的使用，将成像功能限制在单个物体的简单复制上，不能满足二维平面结构之外的多层复杂建筑的设计要求。

目前，微光学和单孔径成像系统需要进一步发展，现有技术无法支持3D打印中可扩展的SBP。

在此，研究者提出了一种新的立体光刻打印系统，该系统使用平面微光学器件形成整体图像，提供了一种无需串行扫描的可扩展的增材制造方法。 所提出的工程投影系统基于透镜阵列，其中每个微透镜可以保持一个高的NA，并且总体打印面积可以随着微透镜数量的增加而增加。结合数字光处理的微光学设备，允许通过并行传输、叠加和集成多个传入图像的可伸缩的重建投影输出图像，产生从微米级到厘米级四个数量级的周期性微架构。研究者还评估了集成光刻方法的可扩展性，以及与当前商业PμSL系统相比，其印刷面积增加10²至10³倍的能力，这意味着收缩压为0.1至0.28亿像素(Gpx)。此外，研究者还演示了集成光刻技术的扩展打印能力，通过利用具有受控角偏移的多个集成投影的旋转叠加来创建非周期结构。

图1 集成光刻系统用于可扩展3D打印。

图2 数字控制的成像模式。

图3 可扩展的打印与小的特征尺寸。

图4 整体光刻系统的性能指标。

综上所述，这项工作所提出的方法，具有用于扩大制造大面积周期性或确定性非周期性微结构的能力，并具有力学和结构方面的优势，这些优势尚未在实际规模的批量生产应用中得到充分利用。如果这样的微建筑能够在比现有的更大的规模上使用，那么所描述的这些建筑材料将会有广泛的应用，例如生物医学设备、非凡的力学系统、功能性纹理表面、用于能量转换系统的基底、以及海浪工程的元结构等。此外，研究者的集成光刻系统，可以整合到其他具有不同类型和尺寸显示系统的基于数字光处理的光刻系统中，进一步使用简单和廉价的组件增加系统的构建面积。这种兼容性，可激发该方法与数字光流制造的高通量微粒子合成的集成。该工作，不仅为周期性或确定性非周期性印刷提供了一个可扩展的立体光刻微制造平台，而且为微结构/粒子的大规模生产或大规模制造提供了新的可能性。 （文：水生）

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