光固化3D打印工艺及微针应用研究

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立体光固化3D打印(Stereolithography,SLA)是一种增材制造技术。在当前3D打印技术中,数字光处理(Digital Light Processing,DLP)可以实现微米精度毫米尺度结构的制造,为制备微纳器件提供了可靠便捷的技术。DLP通常基于液池(vat)进行光固化,受到光敏树脂粘度、材料的限制。本文提出了“卷对平”(Roll to Plate,R2P)DLP技术,采用柔性薄膜输送光敏树脂的方式,将微纳3D打印分为“涂布-曝光-分离”三个步骤。具有以下优越性:(1)通过喷嘴和刮刀刮涂的方法可根据打印结构,动态调整每层涂布光敏树脂薄层的区域和位置,使材料消耗显著降低;(2)光敏树脂层厚由刮涂机械构件决定,与光固化步骤解耦。因此可用于快速打印高粘度材料,如陶瓷等。极大扩展了可打印材料库;(3)由于光敏树脂通过薄膜输送,而不是浸没在液池中,R2P-DLP技术为多材料光固化3D打印提供了新方法。因此,R2P-DLP技术在仿生学、生物技术、微电路图形、光子器件、微流体和材料科学等方面具有潜在应用。本论文的主要研究工作如下:(1)研究了 R2P-DLP技术的3D打印特性。主要包括最小特征尺寸(~2.5 μm),层厚一致性,打印速率(3.25 mm2/min),材料消耗特性等。为进一步提高打印效率,采用自适应切片方法,根据结构特征优化每层层厚(5 μm-70μm),实现了皇冠模型的高通量高精度打印。(2)研究了R2P-DLP技术多材料打印的工作原理及工艺方法。从设计多材料模型出发,优化了不同材料的打印顺序,提高了制备的效率。通过制备层间多材料及层内多材料零件打印,证明了制备复杂多材料器件的可能性。结合柔性树脂与刚性树脂,打印了仿生蝴蝶,初步证明了其在生物医学、机器人等领域的应用。(3)针对生物医药领域应用,设计了微针模型,打印了聚合物微针。通过微针的高度,角度,尖端直径(<10μm)及直线度(R2>0.98)等结构参数,评价了所制备微针的结构保真度。以3D打印微针为母模板,通过软压印工艺获得PDMS微针模具,为快速批量复制微针模具提供了可行性。最后,制备了可溶解微针并进行了小鼠皮肤组织穿刺实验,证明了可溶性微针具有一定的尖锐度及机械强度,证明了其在生物医学上应用的可能性。
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