日本科學(xué)家欲通過3D打印制造新型光學(xué)傳感器

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，立體光刻(Stereolithography)也稱為光固化立體成型，是用于創(chuàng)建模型、原形、圖案等的一種3D打印技術(shù)。它采用光聚合法通過光照射讓小分子鏈接，形成聚合物。這些聚合物構(gòu)成了固化的立體3D物件。立體光刻技術(shù)的進步，使其成為制造一系列產(chǎn)品原型的一種有吸引力的方法，最近的研究突破提升了該制造工藝的速度和功能性。

然而，如果將多種原材料摻入到立體光刻過程中，這仍然具有較大的挑戰(zhàn)性。雖然，在立體光刻過程中替換原材料(聚合物)的方法已經(jīng)有了不少研究，但是，還必須考慮如何避免不同原材料之間的污染。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，橫濱國立大學(xué)(Yokohama National University)的研究項目現(xiàn)已開發(fā)出一種自動化平臺，能夠利用不同的原材料制造多色3D微結(jié)構(gòu)，有望為制造新型光學(xué)器件(如傳感器和執(zhí)行器)提供一條途徑。

3D打印多色3D微結(jié)構(gòu)

上述研究成果在《光學(xué)材料快報(Optical Materials Express)》上發(fā)表。這項研究涉及設(shè)計一個可容納光固化樹脂和清洗溶劑的平移XY平臺，以及一個在使用后用空氣吹除清洗溶劑的系統(tǒng)。

橫濱國立大學(xué)研究人員開發(fā)了一種立體光刻裝置，可以在原材料切換時防止交叉污染

“可以使用多種原材料的組合來創(chuàng)建僅用一種原材料無法實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)和功能。”橫濱國立大學(xué)Shoji Maruo表示，“像我們這種制造多材料結(jié)構(gòu)的方法消除了組裝過程，從而可以生產(chǎn)出高精度、低成本的光學(xué)器件?！?/p>

該研究小組的平臺使用405納米激光從下面照亮一個玻璃調(diào)色板(glass palette)，在調(diào)色板頂部有不同顏色的可光固化樹脂材料液滴。調(diào)色板上方的固定玻璃基板充當(dāng)3D模型成型的位置，平移XY平臺移動調(diào)色板，以便將可光固化樹脂分別帶到激光的焦點上并附著到基板上。調(diào)色板中還內(nèi)置了兩個清潔槽和一個用于干燥的空氣噴嘴。

橫濱國立大學(xué)利用新的裝置和制造方法，能夠同時使用多種不同的3D打印原材料

在可光固化樹脂聚合之后，平移XY平臺將其基板上的3D結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到一個清潔槽中，在其中用乙醇清洗10秒鐘，并使用空氣噴嘴干燥，然后返回到要施加下一種可光固化樹脂的位置。

清除氣泡

替換可光固化樹脂的時候會產(chǎn)生氣泡，因此在最終的成品器件中產(chǎn)生空隙是多材料立體光刻的一個特殊問題。到目前為止，避免該問題的最佳方法是降低每種新樹脂引入成型3D模型的速度。

橫濱國立大學(xué)研究小組嘗試了另一種方法，即使用平移XY平臺在接觸新的一滴樹脂時，以編程的方式在XY平面上移動3D模型。在3D模型和調(diào)色板之間的間隙設(shè)置為30微米的情況下，此運動將夾在兩個表面之間的氣泡推向制造區(qū)域的邊緣，并最終完全將氣泡清除出來，然后再用激光將樹脂固化。

“所有的制造過程，包括3D打印、樹脂替換、氣泡去除和清洗，都使用我們自己開發(fā)的軟件自動化進行。”Maruo說道，“這使得多色3D微結(jié)構(gòu)能夠自動創(chuàng)建完成。”

在一項試驗中，橫濱國立大學(xué)開發(fā)的立體光刻裝置被用于創(chuàng)建一個邊長為1.5毫米的立方體。該立方體由50層多種不同的可光固化樹脂制成，樹脂在6小時內(nèi)成功替換了250次。研究人員還表示，調(diào)整多色樹脂的層數(shù)可以創(chuàng)建具有不同顏色的3D微結(jié)構(gòu)。

橫濱國立大學(xué)利用多種不同顏色的原材料3D打印一個50層的立方體

“這種方法不僅可應(yīng)用于多色樹脂，而且可應(yīng)用于更廣泛的原材料。”Maruo總結(jié)說，“將各種陶瓷微顆粒或納米顆粒與光固化樹脂混合，可以3D打印出各種類型的玻璃。它還可與生物相容性陶瓷材料一起使用，以制造用于再生骨骼和牙齒的支架?！?/p>