一种长悬垂结构物体的双光子聚合微3D打印方法

供稿人：刘子玮、高琳
供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室　
来源：中国机械工程学会增材制造技术（3D打印）分会

3D双光子聚合（TPP）打印是打印微米和纳米级物体的最成熟的技术之一。该技术利用脉冲高能飞秒激光束在3D中局部曝光光反应树脂。这允许在亚微米范围内形成具有非常精细特征的物体。然而，使用标准液体树脂进行双光子聚合的3D打印的一个重要挑战是打印包含长悬垂结构的物体，例如悬臂结构。3D对象模型被切成层，然后逐层连续打印。由于悬垂结构的前几层打印层很薄且不稳定，它们漂浮在液态树脂中，因此很容易由于3D打印系统的振动，载物台运动或液态树脂内部显微镜物镜的运动引起树脂运动而移位。初始打印层的位移通常会导致打印对象严重扭曲。

近日，瑞典斯德哥尔摩KTH皇家理工学院的Frank Niklaus等人[1]通过用短拼接块打印长悬垂结构来解决这个问题，以避免前几层打印的移动。这种方法能够对具有大型悬垂结构的物体进行微型3D打印，而无需使用支撑或后处理步骤，从而通过双光子聚合大大扩展了微型3D打印的应用空间。

3D打印通常有两种打印模式，即Solid打印模式和Shell & Scaffold（S&S）打印模式，分别对应小打印块和大打印块。传统的3D打印方法使用一种方法打印模型，而作者团队将两种打印模式结合使用，将模型分为不同大小的打印块，通过两种打印模式复合大幅减少了打印层的浮动，从而提高了打印效果。

图1 打印两个实验模型时使用的不同打印块类型的排列

正如预期的那样，当使用概述的传统双光子聚合打印方法打印两个实验模型（单面夹紧悬臂和双面夹紧梁）时，悬垂部件的浮动层导致结构坍塌和严重扭曲。而结合使用两种打印模式后，打印层浮动的问题大大减轻了。

图2 3D打印模型的SEM图片

该方法通过局部调整打印块的大小，并根据打印块的大小，使用不同的打印模式，使具有悬垂结构的物体的双光子聚合3D打印成为可能。使用此方法可以3D打印更长的悬垂结构，仅受所用材料的机械强度的限制，从而在双光子聚合的3D打印领域开辟新的令人兴奋的途径和灵活性。

参考文献：
Marschner D E, Pagliano S, Huang P H, et al. A methodology for two-photon polymerization micro 3D printing of objects with long overhanging structures[J]. Additive Manufacturing, 2023, 66: 103474.