簡單分析下微納3D打印設(shè)備的工作原理

 

核心技術(shù)與工作原理

 

1.雙光子聚合（TPP）

 

核心機制：利用飛秒激光的高峰值功率，使光敏樹脂在焦點處發(fā)生雙光子吸收（概率與光強平方成正比，僅焦點區(qū)域反應(yīng)），引發(fā)樹脂聚合固化。

 

流程

 

飛秒激光經(jīng)物鏡聚焦至光敏樹脂液面下，焦點處光強達閾值（>10¹²W/cm²）觸發(fā)聚合。

 

壓電陶瓷平臺（位移分辨率<1nm）帶動樣品/焦點三維移動，逐點/逐線固化，形成2D層。

 

每層完成后，平臺微移（層厚10–100nm），重復(fù)掃描堆疊成3D結(jié)構(gòu)。

 

清洗未固化樹脂，后固化增強力學(xué)性能。

 

精度：可達10–100nm，適合微光學(xué)、生物支架等。

 

2.數(shù)字光處理微投影（DLP）

 

核心機制：通過數(shù)字微鏡器件（DMD）陣列調(diào)制紫外光，一次性固化整層圖案，效率高于點掃描。

 

流程

 

CAD模型切片，生成每層掩模圖案。

 

DMD按圖案切換微鏡狀態(tài)，紫外光透過投影物鏡照射樹脂槽，選區(qū)固化。

 

固化后平臺抬升/下降，涂覆新樹脂，重復(fù)至成型。

 

精度：微米級（1–10μm），適合批量微流控芯片、微模具等。

 

3.電流體動力噴射（EHD）

 

核心機制：高壓靜電場拉伸噴嘴液滴，形成亞微米級射流/液滴，定向沉積。

 

流程

 

液體材料（如聚合物溶液）經(jīng)微米噴嘴擠出，施加1–30kV高壓靜電。

 

電場力克服表面張力，液滴呈“泰勒錐”并分裂為微滴/射流。

 

高精度平臺控制基板運動，按路徑沉積，逐層堆疊。

 

精度：線寬/點徑0.01–1μm，適合柔性電子、納米線陣列等。

 

4.聚焦離子束/電子束誘導(dǎo)沉積（FIB/EBID）

 

核心機制：聚焦離子束（Ga?）或電子束轟擊前驅(qū)體氣體，誘導(dǎo)表面沉積金屬/碳等材料。

 

流程

 

真空腔中，離子/電子束聚焦至樣品表面（束斑<10nm）。

 

通入前驅(qū)體氣體（如W(CO)?），束流觸發(fā)分解，材料沉積于焦點處。

 

束流與樣品臺聯(lián)動掃描，逐層構(gòu)建3D微結(jié)構(gòu)。

 

精度：納米級，適合半導(dǎo)體掩模修復(fù)、微納傳感器等。

 

5.粉末床熔融（SLM/EBM，微納適配）

 

核心機制：激光/電子束選區(qū)熔融金屬粉末，逐層堆積。

 

流程

 

鋪粉器鋪微米級粉末（如鈦合金）于平臺，厚度10–50μm。

 

高能束按切片路徑掃描，粉末熔融/燒結(jié)固化。

 

平臺下降，重復(fù)鋪粉與掃描。

 

精度：微米級，適合微型金屬零件、生物植入物等。

 

通用系統(tǒng)組成

 

模塊核心部件功能

 

能量/噴射單元飛秒激光器、DMD、高壓電源、離子/電子槍提供成型能量或噴射動力

 

運動控制壓電陶瓷平臺、線性電機、空氣軸承實現(xiàn)nm–μm級定位與掃描

 

材料供給樹脂槽、粉末床、噴嘴、前驅(qū)體氣路輸送光敏樹脂、粉末、溶液等

 

環(huán)境控制真空腔、惰性氣體系統(tǒng)、溫控模塊保障工藝穩(wěn)定性（如防止氧化、控制粘度）

 

軟件切片軟件、運動控制算法模型處理、路徑規(guī)劃、參數(shù)調(diào)控

 

共性流程

 

模型與切片：CAD建模，切片軟件生成每層輪廓與路徑。

 

選區(qū)成型：能量/噴射系統(tǒng)按路徑固化/沉積材料，形成單層。

 

層間銜接：平臺微移，更新材料層（涂覆、鋪粉、噴射等）。

 

后處理：清洗、固化、脫脂、燒結(jié)等，提升性能。

 

總結(jié)

 

微納3D打印通過“能量聚焦/射流控制+精密運動+材料選區(qū)成型”實現(xiàn)微觀制造，不同技術(shù)在精度、效率、材料適配性上各有側(cè)重。TPP與FIB/EBID主打納米級精度，DLP與EHD兼顧效率與微米級精度，SLM/EBM適配金屬微結(jié)構(gòu)，可根據(jù)應(yīng)用場景選擇技術(shù)路線。