用于均匀收缩 3D 打印微米和纳米结构材料的拾取和放置工艺

来源：江苏激光产业技术创新战略联盟

新加坡科技设计大学(SUTD)、湖南大学、湖南大学粤港澳大湾区创新研究院和新加坡国立大学研究团队报道了一种用于均匀收缩 3D 打印微米和纳米结构材料的拾取和放置工艺。相关研究以“Pick and place process for uniform shrinking of 3D printed micro- and nano-architected materials”为题发表在《Nature Communications》期刊上。

在增材制造技术中，双光子聚合光刻技术（TPL）是有希望制造微米和纳米级特征的技术之一，TPL技术具有极高设计自由度和超高精度的特点，有望制造定制的微纳米级特征的三维结构，极大地促进了力学、微流体、微型机器人和生物学等领域的研究。此外，热解收缩技术还能缩短三维光子晶体的晶格常数，提高其分辨率和机械性能。然而，由于加热过程中的衬底固定，因此这种技术存在收缩不均匀的问题。到目前为止，没有任何方法可以使得整个3D打印的均匀收缩。

研究人员报道了一种使用聚乙烯醇（PVA）作为功能层来实现3D打印结构均匀收缩的简单方法。将3D打印结构从原基底上的 PVA 层剥离并转移到接收基底上，使打印结构的基底与接收基底之间形成微弱的相互作用。PVA 是一种水溶性聚合物，可以在使用有机溶剂的显影过程中存留，但很容易溶解于水，这意味着3D结构可以很容易地从原始基底上分离。随后，对接收基底上的3D结构进行加热和收缩。PVA 功能层是该方法的一个优势，可减轻结构与基底之间的粘附力。研究人员制作了具有各种微米级和纳米级特征的结构，并在光学和电子显微镜下观察到均匀收缩，从而证明了这一工艺的能力。

图1：制造过程的概念和示意图

研究人员测量了所制备结构的表面粗糙度、表面自由能和附着力，以了解均匀收缩的机制。研究人员展示了各种形状和尺寸的3D打印样品在没有牺牲支撑结构的情况下成功实现均匀热收缩的过程，并观察到接收衬底的表面特性是实现均匀收缩的重要因素。

图2：具有微观特征的3D打印模型的均匀收缩

研究人员制作了一个由纳米级特征尺寸组成的木堆光子晶体结构，以进一步检验该方法的能力。图3显示了不同基材上的打印和后处理木桩结构的SEM图像，加热到395°C并保持5分钟。

图3:不同基材上的收缩结果比较

图 4 显示了在明场反射照明下打印和后处理的木桩结构的扫描电镜图像和相应的光学图像。

图 4：后处理前后的光谱性能比较

此外，研究人员还打印了一个色彩丰富、不变形的三维吉祥物模型，然后对其进行均匀收缩，并缩小到70μm大小。利用无色木堆结构光子晶体产生了鲜艳的色彩。该研究所提出的方法在力学、光学和光子学等领域具有巨大的应用潜力。图 5 中的明场和暗场照明下的反射光学图像显示了通过制备两个版本（坐着和躺着），从不同角度观察的打印时和打印后的3D吉祥物。

图5：具有纳米级特征的三维光子晶体吉祥物的均匀收缩

这项技术可轻松控制3D结构在任何形状、尺寸、位置和方向上的均匀收缩，因此可用于制造具有纳米级特征的高机械稳定性的3D结构。拾取和放置工艺进一步实现了3D打印光学元件与接收基板上相关设备的集成。