DLP光固化打印 3D光刻

近年來，隨著超構(gòu)光學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)、材料化學(xué)與運(yùn)動(dòng)控制等跨學(xué)科技術(shù)的深度融合，光固化打印正迎來一系列突破性進(jìn)展。本文精選了五篇頂刊研究，系統(tǒng)介紹從大幅面納米并行光刻、智能灰度梯度打印、高效工藝篩選方法，到可降解支撐體系與多軸動(dòng)態(tài)切片等多個(gè)前沿方向的突破，為光固化技術(shù)的未來發(fā)展提供重要參考與啟示。

本期主要內(nèi)容：

Nature（IF=48.5）打印分辨率和打印速度兼得，超透鏡陣列實(shí)現(xiàn)大面積無拼接3D納米打印

Advanced Materials（IF=26.8）灰度數(shù)字光處理3D打印實(shí)現(xiàn)高性能梯度材料的精準(zhǔn)制造與優(yōu)化

Angewandte Chemie International Edition（IF=16.9）DLP 3D打印中，如何快速篩選材料和工藝參數(shù)用于樹脂開發(fā)？

ACS Central Science（IF=10.4）雙波長圖案化實(shí)現(xiàn)可降解熱固性支撐結(jié)構(gòu)的一體化3D打印

Acm transactions on graphics（IF=9.5）告別“千層餅”式的堆疊，從切片算法上實(shí)現(xiàn)多軸3D打印

#01  3D nanolithography with metalens arrays and spatially adaptive illumination

傳統(tǒng)三維雙光子光刻（TPL）技術(shù)受限于物鏡視場(chǎng)，無法實(shí)現(xiàn)大面積、高效率的并行加工，制約了其在宏觀結(jié)構(gòu)與高產(chǎn)量制造中的應(yīng)用。本研究提出了一種基于超構(gòu)光學(xué)陣列的并行三維納米光刻平臺(tái)，利用金屬透鏡陣列生成超過12萬個(gè)可獨(dú)立調(diào)控的焦點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)寫入?yún)^(qū)域內(nèi)的并行雙光子聚合。

該系統(tǒng)的核心創(chuàng)新包括：采用高數(shù)值孔徑、非成像金屬透鏡陣列突破視場(chǎng)限制；結(jié)合空間光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)每個(gè)焦點(diǎn)的灰度光強(qiáng)調(diào)控，從而精確控制線寬與結(jié)構(gòu)特征；并通過短距離掃描與自適應(yīng)打印路徑規(guī)劃，顯著降低拼接缺陷。

此外，研究還提出了一種自適應(yīng)元光刻策略，能夠高效打印半周期及非周期三維幾何結(jié)構(gòu)，為復(fù)雜功能器件的快速制造提供了新途徑。該技術(shù)不僅展示了在機(jī)械超材料力學(xué)性能研究、太赫茲光子器件等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，也為實(shí)現(xiàn)晶圓級(jí)三維納米制造奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，有望推動(dòng)微電子、生物醫(yī)學(xué)、量子技術(shù)與高能激光靶材等領(lǐng)域的材料與器件發(fā)展。

論文鏈接：doi.org/10.1038/s41586-025-09842-x

#02  Machine Learning-Driven Grayscale Digital Light Processing for Mechanically Robust 3D-Printed Gradient Materials

傳統(tǒng)灰度數(shù)字光處理（g-DLP）技術(shù)在光固化樹脂的性能可調(diào)范圍及復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面存在局限，限制了其在機(jī)械強(qiáng)韌部件制造中的應(yīng)用。本研究提出了一種機(jī)器學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)的灰度數(shù)字光處理（g-DLP）策略，用于制造具有優(yōu)異機(jī)械性能的三維打印梯度材料。

在材料層面，研究開發(fā)了基于PUA的樹脂體系，通過調(diào)節(jié)含動(dòng)態(tài)二硫鍵的聚氨酯丙烯酸酯（PUSA）與羥基乙基丙烯酸酯基聚氨酯丙烯酸酯（HUA）的比例，實(shí)現(xiàn)了彈性模量從8.3 MPa到1.2 GPa的寬幅可調(diào)，同時(shí)保持了良好的阻尼性能。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)層面，研究構(gòu)建了基于貝葉斯優(yōu)化的多目標(biāo)機(jī)器學(xué)習(xí)框架，以應(yīng)變集中因子和有效剛度為優(yōu)化目標(biāo)，通過貝塞爾曲線生成梯度分布函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)二維及三維復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的梯度優(yōu)化設(shè)計(jì)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后的梯度結(jié)構(gòu)在星形孔單元中應(yīng)變集中降低了約49%，疲勞壽命延長至5800次循環(huán)；在圓形孔單元中，梯度結(jié)構(gòu)的韌性較均勻結(jié)構(gòu)提升了約60%~91%。

該研究通過材料-結(jié)構(gòu)一體化的協(xié)同設(shè)計(jì)策略，為g-DLP技術(shù)在高性能定制化制造中的應(yīng)用提供了新路徑，尤其在生物醫(yī)學(xué)植入體、柔性電子、汽車吸能結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊潛力。

論文鏈接：doi.org/10.1002/adma.202504075

#03  Angewandte Chemie International Edition：Step Test for Rapid Screening of Material and Process Parameters for Resin Development in DLP 3D Printing

傳統(tǒng)DLP打印在新樹脂開發(fā)過程中，參數(shù)優(yōu)化常依賴耗時(shí)的試錯(cuò)法或僅能在非真實(shí)打印條件下進(jìn)行的Jacob工作曲線測(cè)試，難以同步評(píng)估層厚、曝光能量與時(shí)間等多參數(shù)組合，且對(duì)慢固化或彈性樹脂誤差較大。為此，本研究提出一種用于DLP 3D打印中樹脂材料與工藝參數(shù)快速篩選的高效階梯測(cè)試方法，可在單次打印中同步評(píng)估24組參數(shù)組合。通過設(shè)計(jì)具有階梯間隙的測(cè)試結(jié)構(gòu)，結(jié)合簡(jiǎn)單的光學(xué)視覺評(píng)估，即可快速、可靠地確定樹脂的打印窗口。

該測(cè)試方法首先通過點(diǎn)測(cè)試獲取Jacob工作曲線，初步估算樹脂的固化深度與反應(yīng)性；隨后在真實(shí)打印平臺(tái)上進(jìn)行階梯測(cè)試，結(jié)構(gòu)包含4種層厚（25、50、75、100 μm）與6種曝光時(shí)間，階梯間設(shè)有400 μm間隙以便直觀區(qū)分欠固化、正常固化與過固化。通過視覺檢查階梯邊緣清晰度、間隙是否閉合及表面機(jī)械穩(wěn)定性，即可對(duì)每組參數(shù)進(jìn)行質(zhì)量評(píng)定。

此外，研究還通過添加光吸收劑驗(yàn)證了該方法對(duì)樹脂吸光性變化的敏感性，表明其能夠可靠反映材料改性對(duì)工藝窗口的影響。

該階梯測(cè)試具有操作簡(jiǎn)便、高效通用、設(shè)備要求低等優(yōu)點(diǎn)，不僅適用于商業(yè)樹脂的工藝優(yōu)化，也為生物基與功能化樹脂的快速開發(fā)提供了標(biāo)準(zhǔn)化篩選工具。該方法可進(jìn)一步推廣至其他基于光聚合的打印技術(shù)（如SLA、雙光子聚合），為加速材料從配方設(shè)計(jì)到打印應(yīng)用的轉(zhuǎn)化提供了重要支持。

論文鏈接：doi.org/10.1002/anie.202504154

#04  Dual-Wavelength Simultaneous Patterning of Degradable Thermoset Supports for One-Pot Embedded 3D Printing

傳統(tǒng)光固化打印中，復(fù)雜懸垂結(jié)構(gòu)需額外支撐，常導(dǎo)致材料浪費(fèi)、后處理繁瑣及表面損傷。

本研究設(shè)計(jì)了一種酸酐基丙烯酸酯網(wǎng)絡(luò)（可降解支撐）的熱固性材料，集成環(huán)氧網(wǎng)絡(luò)，通過定制雙波長負(fù)成像DLP系統(tǒng)，利用紫外光（365 nm）固化環(huán)氧主體，可見光（405 nm）同步固化可降解支撐，僅使用單個(gè)數(shù)字微鏡器件即可實(shí)現(xiàn)像素級(jí)波長選擇，將打印時(shí)間減少約50%。

該可降解熱固性支撐僅需20wt%的丙烯酸酯含量，使環(huán)氧網(wǎng)絡(luò)占比達(dá)80%，顯著提高了最終零件的力學(xué)性能與結(jié)構(gòu)完整性。支撐材料在堿性水溶液中可快速降解，且降解產(chǎn)物無毒，符合綠色化學(xué)原則。實(shí)驗(yàn)成功打印了互鎖環(huán)、籠中球等復(fù)雜懸空結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證了該方法對(duì)幾何約束的突破能力。該技術(shù)為光固化打印提供了高效、環(huán)保的支撐解決方案，擴(kuò)展了可打印結(jié)構(gòu)與材料的范圍。

論文鏈接：doi.org/10.1021/acscentsci.5c00337

#05:  Curve-Based Slicer for Multi-Axis DLP 3D Printing

傳統(tǒng)DLP 3D打印雖然具備高分辨率與高打印速度的優(yōu)勢(shì)，但其單軸垂直堆疊方式常需為懸垂結(jié)構(gòu)添加大量支撐，不僅造成材料浪費(fèi)和后處理困難，還易引起表面損傷。為此，研究團(tuán)隊(duì)將多軸運(yùn)動(dòng)能力引入DLP系統(tǒng)，通過動(dòng)態(tài)調(diào)整打印平面的方向，實(shí)現(xiàn)無需支撐或最小化支撐的復(fù)雜幾何制造。

該方法的核心創(chuàng)新在于將切片問題轉(zhuǎn)化為軌跡優(yōu)化問題，使用參數(shù)化貝塞爾曲線表示打印平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)軌跡，并以其切平面動(dòng)態(tài)定義每一打印層。通過引入Bishop框架描述局部坐標(biāo)系，并結(jié)合灰度光照控制層厚，系統(tǒng)能夠在不同區(qū)域自適應(yīng)調(diào)整打印方向，同時(shí)滿足無碰撞、結(jié)構(gòu)連通、表面質(zhì)量?jī)?yōu)化與運(yùn)動(dòng)平滑性等多重要求。

這項(xiàng)研究實(shí)現(xiàn)了在DLP 3D打印中對(duì)層方向進(jìn)行連續(xù)動(dòng)態(tài)優(yōu)化，不僅擴(kuò)展了DLP技術(shù)的幾何成型能力，也為后續(xù)支持多材料、梯度性能及更高自由度的智能打印系統(tǒng)奠定了算法基礎(chǔ)。該切片框架的源代碼已計(jì)劃公開，有望推動(dòng)多軸光固化打印向更廣泛的高性能定制化制造領(lǐng)域發(fā)展。

論文鏈接：doi.org/10.1145/3763352

織雀®系列3D光刻設(shè)備

產(chǎn)品亮點(diǎn)：

光學(xué)精度可達(dá)1 μm

1 μm & 2 μm & 5 μm / 10 μm / 20 μm 多精度可選

速度提升5X - 50X

高精度樹脂、陶瓷3D光刻加工

精準(zhǔn)駁接打印

DLP光固化打印 3D光刻

從并行納米制造到智能梯度材料，從高效工藝篩選到環(huán)保支撐降解，再到多軸動(dòng)態(tài)成型，上述研究共同指向一個(gè)更高效、更智能、更靈活的光固化打印未來。這些突破不僅顯著拓展了打印尺度、材料性能與結(jié)構(gòu)自由度，更通過跨學(xué)科創(chuàng)新，為光固化技術(shù)注入了嶄新的生命力。隨著算法、光學(xué)、材料與裝備的持續(xù)演進(jìn)，光固化打印有望在制造、生物工程、光電集成等領(lǐng)域扮演更為核心的角色，推動(dòng)制造業(yè)向“定制化、功能化、可持續(xù)化”方向加速邁進(jìn)。