Микронатюрные 3D - принтеры могут достигать точного производства сложных структур в микронных и даже нанометровых масштабах, а их высокая точность преодолевает пределы традиционных производственных технологий, в основе которых лежит совместная оптимизация « Свет - материал - контроль».

I. Основные принципы:

Суть микронано - 3D - печати заключается в том, чтобы селективно затвердевать / расплавлять материал в определенной области, накапливая его слоями, чтобы сформировать трехмерную структуру посредством потока пучка высокой плотности энергии (например, лазера, электронного луча) или микрокапельного впрыска. В качестве примера возьмем технологию двойной фотонной полимеризации (TPP), которая использует пиковую мощность фемтосекундного лазера (длина волны 780 - 800 нм, ширина импульса < 100 фем²) (> GW / cm²), так что фоточувствительная смола (содержащая световой инициатор) имеет двойное фотонное поглощение в фокусе (традиционное однофотонное поглощение происходит только в линейном поглощении лазерного пути, в то время как двухфотонное поглощение требует одновременного действия двух фотонов на одну и ту же молекулу с вероятностью, пропорциональной квадрату интенсивности света, которая происходит только в зоне высокой интенсивности фокуса). Когда интенсивность света в фокусе достигает порога (обычно > 101,2W / cm²), молекулярная цепь фоточувствительной смолы разрывается и повторно полимеризируется, образуя твердый полимер (точность отверждения до 10 - 100nm). Управляя траекторией движения лазерного фокуса в трехмерном пространстве (с высокоточной пьезоэлектрической керамической платформой, разрешением смещения < 1 нм), целевая структура строится по точкам, линиям и слоям.

Для технологии плавления электронных пучков (EBM) (в основном используется для печати металлических микронаноструктур), она использует высокоэнергетический электронный пучок (энергия 10 - 30keV, плотность потока пучка > 10⁶A / cm²) в вакуумной среде (< 10⁻Pa), чтобы сосредоточиться на поверхности металлического порошка (например, титановый сплав, сплав на основе никеля), так что частицы порошка мгновенно расплавляются и затвердеваются. Диаметр фокусировки электронного луча может быть небольшим до 1 - 10 мкм (с точным управлением с помощью электромагнитной линзы), а точное формование характеристик микронного уровня (например, диаметр стержня структуры сетки < 5 мкм) достигается путем планирования пути сканирования (например, последовательного или спирального сканирования).

II. Ключевая техническая поддержка:

Высокоточный контроль движения:Мини - принтер 3DИспользуя платформу смещения нанометрового уровня (например, пьезоэлектрический керамический двигатель, разрешение смещения < 0,1 нм, точность повторного позиционирования ±10 нм), в сочетании с системой сканирования лазера / электронного луча (например, виброскоп или электромагнитная линза) для достижения субмикронного управления движением в трехмерном пространстве. Например, пьезоэлектрическая платформа двухфотонного принтера обеспечивает точность позиционирования ±20 нм в трех направлениях X / Y / Z, обеспечивая погрешность выравнивания соседних слоев печати < 100 нм.

2. Оптимизация свойств материала: Печатные материалы (например, фоточувствительные смолы, металлические порошки) должны обладать высокой реактивной активностью (например, большое сечение поглощения бифотонов фоточувствительных смол) и низкой скоростью усадки (изменение объема < 2% после отверждения / плавления, чтобы избежать структурной деформации). Например, фоточувствительные смолы, разработанные специально для технологии TPP, содержат крупногабаритные фотоинициирователи (например, Darocur TPO), которые в 10 раз эффективнее поглощают двойные фотоны, чем традиционные инициаторы, и обеспечивают высокоточное отверждение при низкой мощности лазера.

3. Точное регулирование технологических параметров: мощность лазера (обычно 1 - 100 мВт), скорость сканирования (1 - 100 мкм / с), толщина слоя (10 - 100 нм) и другие параметры должны быть тщательно отрегулированы в соответствии с требованиями материала и конструкции. Например, при печати микроструктуры с высоким отношением глубины к ширине (например, консольная балка, высота / ширина > 10: 1) необходимо уменьшить скорость сканирования (< 10 мкм / с) и увеличить мощность лазера (> 50 мВт), чтобы обеспечить достаточное затвердевание нижнего слоя; При печати тонких узоров (например, массива микролинз, радиус кривизны < 1 мкм) необходимо уменьшить толщину слоя (< 20 нм) и оптимизировать путь сканирования (избегая ступенчатого эффекта).

4.Экологический контроль: среда печати (например, температура, влажность, вибрация) оказывает значительное влияние на точность. Лабораторные микронано - 3D - принтеры обычно оснащены термостатом (колебание температуры < ±0,1°C), осушителем (влажность < 30%) и активной амортизационной платформой (изоляция наземных вибраций, амплитуда вибрации < 1 нм) для обеспечения стабильности свойств материала и движения оборудования в процессе печати.

　　Мини - принтер 3DБлагодаря совместной оптимизации « Энергетическая фокусировка - материальная реакция - управление движением», прорвался предел точности традиционного производства, обеспечил лучшую производственную мощность для микронано - электромеханических систем (MEMS), биомедицинских (например, тканевых инженерных кронштейнов), оптических устройств (таких как надповерхностные линзы) и других областей, что способствовало развитию технологии производства микрона в направлении более высокой точности и более сложных структур.