立體光刻
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時間：2021-11-18
立體光刻的實例教程
三年前，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）和弗吉尼亞理工大學(xué)的科學(xué)家和工程師開始專注于使用光固化技術(shù)3D打印石墨烯氣凝膠，這種方法稱為微立體光刻投影技術(shù)。
在投影微立體光刻中，紫外光用于將部分層的圖像投影到光敏液體樹脂中，光敏液體樹脂被固化并硬化成圖像的形狀。使用這種方法，研究人員能夠提高3D石墨烯氣凝膠的分辨率，可以達(dá)到大約10微米。
為了創(chuàng)造這些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，研究人員開始使用氧化石墨烯（石墨烯的前體），使片材交聯(lián)形成多孔水凝膠。通過超聲波破碎氧化石墨烯水凝膠并添加光敏丙烯酸酯聚合物，研究人員可以使用投影微立體光刻技術(shù)來創(chuàng)建所需的固體3D結(jié)構(gòu)，其中石墨烯氧化物被捕獲在長而剛性的丙烯酸酯聚合物鏈中。最后，他們將3D結(jié)構(gòu)放置在爐子中以燒掉聚合物并將物體融合在一起，留下純凈輕質(zhì)的石墨烯氣凝膠。
該項目的主要挑戰(zhàn)之一是提出與微立體光刻工藝兼容的石墨烯氣凝膠樹脂。 Ryan Hensleigh，LLNL的暑期實習(xí)生，正在攻讀博士學(xué)位。在弗吉尼亞理工大學(xué)的大分子科學(xué)與工程專業(yè)，他表示，在找到合適的組合之前，他在兩年內(nèi)研究了許多化學(xué)混合物。
“與已經(jīng)完成的相比，這是一項重大破，”Hensleigh說道。 “我們可以獲得您想要的任何所需結(jié)構(gòu)。”從石墨烯氣凝膠打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)的能力也為許多應(yīng)用打開了大門，這些應(yīng)用可以受益于計算機(jī)驅(qū)動的優(yōu)化設(shè)計，如航空航天，反應(yīng)堆，海水淡化廠和化學(xué)處理。
“我們已經(jīng)能夠證明你可以制作一個復(fù)雜的3D石墨烯結(jié)構(gòu)，同時仍保留其內(nèi)在的主要特性，”鄭說。 “通常當(dāng)你嘗試3D打印石墨烯或放大尺寸時，你會失去其機(jī)械性能。”
科學(xué)家和工程師現(xiàn)在正在尋求增加3D打印部件的表面積，并將進(jìn)一步研究以確定精確的參數(shù)以進(jìn)一步優(yōu)化該技術(shù)。
展開 3D打印的多材料陶瓷
能否利用逐層打印工藝制造具有增強(qiáng)機(jī)械性能的多材料結(jié)構(gòu)
立體光刻技術(shù)在陶瓷3D打印領(lǐng)域發(fā)展迅速，尤其是基于該技術(shù)已經(jīng)可以制造出與傳統(tǒng)路線制造的陶瓷相當(dāng)機(jī)械性能的大塊體。適當(dāng)?shù)牟牧象w系，以及定制和優(yōu)化的燒結(jié)曲線一直是陶瓷立體光刻技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。該技術(shù)成功應(yīng)用的一個例子已在氧化鋁陶瓷中得到證明，其中已測量出較高的機(jī)械強(qiáng)度和相對較低的散射。這就提出了一個問題，能否有可能利用逐層打印工藝來制造具有增強(qiáng)機(jī)械性能的多材料結(jié)構(gòu)。
Lithoz陶瓷立體光刻原理
近年來，許多努力都集中設(shè)計具有改善強(qiáng)度和韌性的陶瓷結(jié)構(gòu)上，并且在某些情況下基于多材料架構(gòu)的陶瓷確實增強(qiáng)了可靠性。包含不同材料的層間組合與牢固界面相結(jié)合，可以產(chǎn)生出不同的面內(nèi)殘余應(yīng)力，進(jìn)而可以設(shè)計出具有高強(qiáng)度或能夠抵抗裂紋擴(kuò)展的新型陶瓷。
展開 3D打印的多材料陶瓷
能否利用逐層打印工藝制造具有增強(qiáng)機(jī)械性能的多材料結(jié)構(gòu)
立體光刻技術(shù)在陶瓷3D打印領(lǐng)域發(fā)展迅速，尤其是基于該技術(shù)已經(jīng)可以制造出與傳統(tǒng)路線制造的陶瓷相當(dāng)機(jī)械性能的大塊體。適當(dāng)?shù)牟牧象w系，以及定制和優(yōu)化的燒結(jié)曲線一直是陶瓷立體光刻技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。該技術(shù)成功應(yīng)用的一個例子已在氧化鋁陶瓷中得到證明，其中已測量出較高的機(jī)械強(qiáng)度和相對較低的散射。這就提出了一個問題，能否有可能利用逐層打印工藝來制造具有增強(qiáng)機(jī)械性能的多材料結(jié)構(gòu)。
Lithoz陶瓷立體光刻原理
近年來，許多努力都集中設(shè)計具有改善強(qiáng)度和韌性的陶瓷結(jié)構(gòu)上，并且在某些情況下基于多材料架構(gòu)的陶瓷確實增強(qiáng)了可靠性。包含不同材料的層間組合與牢固界面相結(jié)合，可以產(chǎn)生出不同的面內(nèi)殘余應(yīng)力，進(jìn)而可以設(shè)計出具有高強(qiáng)度或能夠抵抗裂紋擴(kuò)展的新型陶瓷。
展開 圖4 整體光刻系統(tǒng)的性能指標(biāo)。
綜上所述，這項工作所提出的方法，具有用于擴(kuò)大制造大面積周期性或確定性非周期性微結(jié)構(gòu)的能力，并具有力學(xué)和結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)勢，這些優(yōu)勢尚未在實際規(guī)模的批量生產(chǎn)應(yīng)用中得到充分利用。如果這樣的微建筑能夠在比現(xiàn)有的更大的規(guī)模上使用，那么所描述的這些建筑材料將會有廣泛的應(yīng)用，例如生物醫(yī)學(xué)設(shè)備、非凡的力學(xué)系統(tǒng)、功能性紋理表面、用于能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的基底、以及海浪工程的元結(jié)構(gòu)等。此外，研究者的集成光刻系統(tǒng)，可以整合到其他具有不同類型和尺寸顯示系統(tǒng)的基于數(shù)字光處理的光刻系統(tǒng)中，進(jìn)一步使用簡單和廉價的組件增加系統(tǒng)的構(gòu)建面積。這種兼容性，可激發(fā)該方法與數(shù)字光流制造的高通量微粒子合成的集成。該工作，不僅為周期性或確定性非周期性印刷提供了一個可擴(kuò)展的立體光刻微制造平臺，而且為微結(jié)構(gòu)/粒子的大規(guī)模生產(chǎn)或大規(guī)模制造提供了新的可能性。
展開 Terry Wohlers和Tim Gornet簡要介紹了MAM工藝的發(fā)展，其中立體光刻(SL)商業(yè)化用于生產(chǎn)工業(yè)部件，其中該技術(shù)使用激光源有效地固化UV光敏液體聚合物薄層，主要用于原型制造。SLA-1是世界上第一個由3D系統(tǒng)在1987年年開發(fā)和商業(yè)化的立體光刻系統(tǒng)。后來，許多組織發(fā)展了他們的立體光刻系統(tǒng)，并將其引入商業(yè)市場。EOS和3D系統(tǒng)在其他組織的立體光刻系統(tǒng)的發(fā)展中發(fā)揮了主導(dǎo)作用。STEREOS 400是在20世紀(jì)90年代由EOS[5]開發(fā)和銷售的。Quadrax在此期間還推出了Mark 1000 SL系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用可見光樹脂聚合物材料來制造原型部件。
金屬沉積工藝制備的不同厚度泡沫鎳樣品的SEM圖像:(a)鎳層較薄;(b)較厚的鎳層。
金屬沉積型多孔金屬是通過在開孔聚合物泡沫上沉積原子金屬，然后消除聚合物和燒結(jié)來創(chuàng)建的。這些金屬的主要特征包括連接孔、高孔隙率和三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。多孔材料是一類非常重要的多孔金屬材料，是一種性能優(yōu)良的新型功能結(jié)構(gòu)一體化材料。在一定條件下使用，其優(yōu)點(diǎn)是密度低、孔隙率高、比表面積大、孔隙連通性好、結(jié)構(gòu)均勻，這是其他類型的多孔金屬難以達(dá)到的。但這一特性也對金屬沉積型多孔金屬的強(qiáng)度產(chǎn)生了一定的限制。這些材料首先在20世紀(jì)70年代被制造和利用，然后，在80年代，它們被迅速開發(fā)用于各種各樣的應(yīng)用和需求。目前，許多國家都在大規(guī)模生產(chǎn)這些多孔材料，鎳和銅泡沫產(chǎn)品通常是通過電沉積工藝生產(chǎn)的。這種金屬泡沫如上圖所示。
金屬零件的調(diào)質(zhì)技術(shù)是在20世紀(jì)90年代初發(fā)展起來的。第一步是EOS組織與Electrolux研發(fā)公司達(dá)成合作協(xié)議，共同開發(fā)DMLS技術(shù)。這次合作在EOSINT m160的商業(yè)化中達(dá)到了頂峰，這是第一個直接用于金屬組件的增材制造。
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立體光刻的最新內(nèi)容
01/簡介
3D NAND、3D IC等立體集成電路的高密度堆疊需求，推動光刻圖形向三維立體化深度演進(jìn)，傳統(tǒng)二維模型已難以適配厚掩模深度衍射及偏振態(tài)三維演化的復(fù)雜物理過程。
目前聯(lián)合實驗室配備了世界上最先進(jìn)的高精密 光固化3D打印設(shè)備，如圖1所示，其中microArch S230/S240打印設(shè)備均采用PμSL（面投影微立體光刻）技術(shù)，可分別實現(xiàn)2μm/10μm的高精度微尺度3D打印。同時聯(lián)合實驗室正開展高性能超薄均熱板、超薄柔性均熱板、陶瓷微通道散熱器、硅基微通道散熱器、硅基均熱板及陶瓷均熱板的研制，產(chǎn)品可廣泛運(yùn)用于5G微型基站、便攜式移動設(shè)備及相控雷達(dá)等領(lǐng)域。
關(guān)鍵詞：3D打印機(jī);ADAMS;FDM;柱坐標(biāo);多噴頭;
3D Systems公司創(chuàng)始人Hull首次申請立體光刻技術(shù)以來，3D打印機(jī)開始蓬勃發(fā)展。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對于3D打印機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行不斷探索與研究，許多不同類型和結(jié)構(gòu)的打印機(jī)逐漸被使用[1,2]。
出于這個原因和許多其他原因，人們更喜歡使用從立體光刻 (STL) 文件或現(xiàn)有網(wǎng)格導(dǎo)入的多面幾何體。在 Fidelity Pointwise 中，這些實體稱為殼。可以使用 NASTRAN、PLOT3D、STL、UCD、VRML 和 XPATCH 等文件類型導(dǎo)入殼。
注意：您可以在 Fidelity Pointwise 的同一數(shù)據(jù)庫中同時使用殼（多面幾何）和 NURBS（解析幾何）。
高熵非晶合金等新種類合金材料的成分設(shè)計、材料基因組設(shè)計、多材料功能梯度結(jié)構(gòu)、超材料結(jié)構(gòu)、仿生材料及其結(jié)構(gòu)、具有電磁屏蔽功能的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、材料結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計、3D打印納米結(jié)構(gòu)、軸向立體光刻打印、4D打印智能材料、活體細(xì)胞打印、極端環(huán)境下的增材制造及應(yīng)用等創(chuàng)新型、交叉性技術(shù)研究進(jìn)展明顯。
如今主流的陶瓷3D打印技術(shù)主要為分層實體制造(簡稱LOM）；熔融堆積（簡稱FFF）；形狀沉積成型（簡稱SDM）；立體光刻（簡稱SLA）；噴墨打印法(簡稱IJM）。
圖1 多材料多噴嘴3D打印頭
通過立體光刻技術(shù)以單噴嘴，1D多噴嘴陣列和2D多噴嘴陣列的設(shè)計實現(xiàn)MM3D像素化打印。打印頭（噴嘴）內(nèi)部具備有復(fù)雜的通道網(wǎng)絡(luò)，最多可以實現(xiàn)8種材料打印。
數(shù)字光合成基于立體光刻。兩種工藝都使用紫外光固化樹脂。然而，與立體光刻不同，Carbon的工藝不會在每一層之后暫停。樹脂不斷流過透氧膜上方的“死區(qū)”，代表零件橫截面的紫外線圖像，被投射到透氧窗上以固化樹脂。當(dāng)構(gòu)建平臺從樹脂桶中升起時，零件是倒置的。
可以使用哪些材料？
Terry Wohlers和Tim Gornet簡要介紹了MAM工藝的發(fā)展，其中立體光刻(SL)商業(yè)化用于生產(chǎn)工業(yè)部件，其中該技術(shù)使用激光源有效地固化UV光敏液體聚合物薄層，主要用于原型制造。SLA-1是世界上第一個由3D系統(tǒng)在1987年年開發(fā)和商業(yè)化的立體光刻系統(tǒng)。后來，許多組織發(fā)展了他們的立體光刻系統(tǒng)，并將其引入商業(yè)市場。EOS和3D系統(tǒng)在其他組織的立體光刻系統(tǒng)的發(fā)展中發(fā)揮了主導(dǎo)作用。
醫(yī)療器械制造中的3D打印技術(shù)
塑料部件最常用的3D打印技術(shù)是立體光刻 (SLA)、選擇性激光燒結(jié) (SLS) 和熔融沉積成型 (FDM)。如果設(shè)備是使用金屬制造的，則可以使用直接金屬激光燒結(jié) (DMLS) 或激光熔化 (SLM) 方法。SLA 技術(shù)適用于具有嚴(yán)格公差和光滑表面的原型，如牙科和醫(yī)療最終用途零件，而 SLS 是修復(fù)體等復(fù)雜幾何形狀的最佳選擇。
