南加州大学：跃进投影光固化工艺显著提升大尺寸高精度三维打印效率

来源：高分子科技

无论是自然界或者人类身体本身充满了横跨多尺度的结构(Multi-scale structures)，例如人体的肺器官由无数微观的肺泡组成，植物叶表的超疏水结构，工程中用于增强减重的超材料以及生物医疗领域的微流体器件。

投影式光固化三维打印(Projection-based Vat Photopolymerization)在加工这种多尺度复杂零件方面拥有极大的潜力，然而该技术本身存在打印面积（print area）以及精度（resolution）之间的矛盾。随着打印机面积的增大，单个像素尺寸（pixel size）也会随之变大，降低了打印分辨率(图1a)。一个显而易见的解决办法是步进重复（Step-and-repeat method） – 通过线性模组将投影系统移动到不同位置，停下后投影直到打印完整个平面 (图1b)。在打印大尺寸零件时，该方法由于频繁的小线段加减速运动，打印时间会急剧增加，而打印可靠性和硬件寿命会急剧下降。为了提高打印效率，人们又开发了连续移动光源光固化（Moving light method） – 投影系统在连续移动的同时投影图片进行固化。该方法要求投影系统每移动一个像素需要刷新一张掩膜图像，否则会因为运动模糊（motion blur）导致错误的固化 (图1c)。为此投影仪需要极高的刷新率(例如10 kHz)，市面上多数的投影仪都无法达到该性能要求而不得不降低打印速度或者开发专用高刷新率的投影系统。
为解决打印面积限制以及打印速度问题，南加州大学的Yong Chen教授和其团队成员Yang Xu博士后（共同一作）与普渡大学助理教授Huachao Mao（共同一作）, 及芬兰阿尔托大学Jouni Partanen教授研发出一种跃进光固化3D打印工艺（Hopping Light Vat Photopolymerization，HL-VPP），该工艺能够仅用10 Hz的刷新率的高精度（10 μm/pixel） 投影系统高效地打印出含有微观结构的大尺寸（200mm）零件，并有潜力进一步提升打印速度 (图1d-f)。相关研究工作以“Hopping Light Vat Photopolymerization for Multiscale Fabrication”为题发表在期刊《Small》上。其他参与者有南加州大学硕士生Cenyi Liu, Zhengyu Du, Weijia Yan和Zhuoyuan Yang。

该工艺的核心思路是在传统光固化基础之上加上XY轴和一个单轴振镜，通过振镜的周期性旋转运动来抵消投影系统的连续平移运动(图2a-e)。在每个周期内，通过同步投影系统的匀速直线运动与振镜的匀速旋转运动，投影的图像保持相对静止，在当前周期结束时，振镜在10 μs内跳回初始位置并开启下一个周期，与此同时图像的投影也跳到下一个打印子区域 (图2f-g)。每个周期内，投影系统只需刷新一次图像，成百倍地降低了刷新率要求，即使采用高速扫描也不会产生运动模糊的情况。和传统步进重复（step-and-repeat）方法相比，速度提高了5倍以上 (图2h-i)。为同步两者运动避免错位，研究人员采用计算机辅助视觉方法调节运动参数确保误差小于最小分辨率(图3)。利用该工艺，研究人员展示了同时含有微观结构与宏观结构的大尺寸零件以及含有仿生超疏水结构的大面积表面(图4)。

图1. a 传统光固化示意图；b Step-and-repeat示意图；c Moving Light示意图； d Hopping Light示意图；e 不同光固化工艺的打印效率与尺寸精度比的关系图；f Moving Light与Hopping Light在不同的曝光时间与刷新率条件下的打印效率对比图。

图 2. a-e Hopping Light 3D打印原理；f 振镜的周期运动；g 振镜，投影系统和掩模图像的运动规律；h-i Hopping Light和Step-and-repeat打印效率对比图。

图3. a-e计算机视觉辅助运动同步调节; f-g 调节前后对比图。

图 4. Hopping Light打印测试: a-d 含有微观结构与宏观结构的大面积零件； e-g 含有微针结构的大面积表面；h-n 含有仿生超疏水结构的大面积表面。

研究人员认为跃进光固化3D打印工艺带来的大尺寸高效高精度加工能力能够促进更多仿生表面，大型超材料结构，电子皮肤等领域的应用。

原文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202205784