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1、 中国科学:技术科学 2015 年第 45 卷第 9 期: 919 940 中国科学杂志社 SCIENCE CHINA PRESS 微纳尺度 3D 打印 兰红波 _*,李涤尘 s),卢秉恒 _ 青岛理工大学青岛市 3D 打印工程研宄中心,青岛 266033; 西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室,西安 710049; 西安交通大学快速制造国家工程研宄中心,西安 710049 * E-mail: liblan99 收稿日期 :2015-03-04;接受日期 :2015-06-03 国家自然科学基金重大研宄计划 (批准号: 91023023)、国家自然科学基金 (批准号: 513752
2、50)、教育部新世纪优秀人才支持计划 (批准号 : NCET-11-1029)和青岛市创业创新领军人才计划 (批准号: 13-CX-18)资助项目 摘要 复杂三维微纳结构在微纳机电系统、生物医疗、组织工程、新材料、新能源、高 清显示、微流控器件、微纳光学器件、微纳传感器、微纳电子、生物芯片、光电子和印刷 电子等领域有着巨大的产业需求,然而现有的各种微纳制造技术无论从技术层面还是在 生产率、成本、材料等方面还难以满足高效、低成本批量化制造复杂三维微纳结构的工业 级应用的需求 .高效、低成本批量化制造复杂三维微纳结构 (尤其是大面积复杂三维微纳 结构 )一直被认为是一项国际化难题,也是当前国际上学
3、术界和产业界的研究热点,以及 亟待突破的瓶颈问题 .微纳尺度 3D 打印 (微纳结构增材制造 )在复杂三维微纳结构、高深 宽比微纳结构以及复合材料三维微纳结构制造方面具有突出的潜能和优势,而且还具有 设备简单、成本低、可使用材料种类多、无需掩模或模具、直接成形的优点 .微纳尺度 3D 打印被美国麻省理工学院 (MIT)的技术评论列为 2014 年十大具有颠覆性的新兴技术 .本 文论述了近年国际上微纳尺度 3D 打印重要的研究进展和代表性研究成果,微纳尺度 3D 打印典型重大应用,阐述了微纳尺度 3D 打印当前面临的挑战性问题,并探讨了微纳尺度 3D 打印未来的应用前景和发展方向及趋势 .为深入
4、开展微纳尺度 3D 打印、增材制造和微 纳制造的科学研究和工程化应用提供一定的借鉴和参考作用 . 关键词 微纳尺度 3D 打印 复杂三维微纳结构 微立体光刻 微纳制造 微纳结构增材制造 1 引言 3D 打印技术 (增材制造 , additive manufacturing) 被认为是项将要改变世界的技术 ” ,第三次工业 革命的重大标志 .2012 年,奥巴马针对美国制造业提 出了一系列发展方案,将 3D 打印列 为 11 项重要技术 之一; 2013年美国哈佛商业评论指出,颠覆性创 新 2013 年将取得突破性发展的四大趋势首位就是 3D 打印; 2013 年麦肯锡发布了一项报告 “ 展望
5、2025:决 定未来经济的 12 大颠覆技术 ” , 3D 打印被排在第九位 ; 2014年 10月福布斯发布了 2015年十大信息科技趋 势,3D 打印以成本将进一步降低、发展速度将加快 而位列其中 14. 微纳机电系统、生物医疗、组织工程、新材料 (超 材料、复合材料、光子晶体、功能梯度材料等 )、新 能源 (太阳能电池、微型燃料电池等 )、高清显示、微 引用格式:兰红波,李涤尘,卢秉恒 .微纳尺度 3D 打印 .中国科学:技术科学 ,2015, 45: 919-940 Lan H B, Li D C, Lu B H. Micro-and nanoscale 3D printing (in
6、 Chinese). Sci Sin Tech, 2015, 45: 919-940, doi: 10.1360/N092014-00397 兰红波等:微纳尺度 3D 打印 流控器件、微纳光学器件、微纳传感器、微纳电子、 生物芯片、光电子和印刷电子等诸多领域对于复杂三 维微纳米结构有着巨大的产业需求 59.然而,现有 的各种微纳制造技术无论从技术层面还是在生产率、 成本、材料等方面还难以满足高效、低成本批量化制 造复杂三维微纳结构的工业化应用的需求,例如从 技术层面,现有的诸如光学光刻、电子束光刻、干涉 光刻、激光微细加工、软光刻、纳米压印光刻等微纳 制造技术主要实现 2 维或者 2.5 维微
7、纳结构 (简单几何 图形 )制造,难以实现复杂真三维微纳结构的制造 ; 此外,现有的这些微纳制造方法还面临设备和掩模 (或者模具 )昂贵、制造成本 高、周期长、可用材料少 等问题 .高效、低成本制造复杂三维微纳结构 (尤其是 大面积复杂三维微纳结构、高深宽比三维微纳结构、 微纳复合结构 )的一直被认为是一项国际化难题,也 是当前国际上学术界和产业界的研宄热点,以及亟 待突破的瓶颈问题 ian. 微纳尺度 3D 打印在复杂三维微纳结构、高深宽 比微纳结构和复合 (多材料 )材料微纳结构制造方面 具有很高的潜能和突出优势,而且还具有设备简单、 成本低、效率高、可使用材料种类广、无需掩模或模 具、直
8、接成形的优点 1215.现有的 3D打印技术已经 实现了宏观尺度任意复 杂三维结构的高效、低成本制 造 .近年来,国际上微纳尺度 3D 打印已经取得多项 重大进展和突破 .2014年 6 月,美国劳伦斯利弗莫尔 国家实验室和麻省理工学院研究人员利用微尺度 3D 打印制造具有微结构的超轻和超强度的新型超材料 (metamaterial), 可以承受至少16 万倍于自身重量的 负荷,在航空航天、高速列车、汽车、船舶等交通运 输行业具有巨大工业化应用前景 16. 2014 年 2 月,美 国哈佛大学研究人员打印出带完整毛细血管活性组 织,这是人类第一次用 3D 打印技术获得功能性的 “ 血管 ” ,
9、嵌在复合的、排列好的细胞结构中 17.他们 还采用 3D 打印制造出微型燃料电池 (打印的锂离子 电池只有 1 mm2大小,精度达到 100 nm)ls.瑞典皇 家理工学院开发 3D 硅纳米结构的 3D 打印机 19. 2013 年德国 Nanoscribe GmbH 公司推出了全球打印速度 最快、分辨率最高的商用微纳米结构的 3D 打印机 - Photonic Professional GT, 实现了 100 nm 复杂三维微 纳结构的制造 2 .瑞士 IBM 研究中心 (NanoFrazor, 3D 纳米打印 )实现了 10 nm 以下复杂三维微纳结构制 造 . 2014年 9 月美国西北
10、大学开发了纳米尺度 3D 920 打印机 NanoOPS, 最高分辨率达到 25 nm. 2015年 1 月,美国旧世界实验室 (old world labs, OWL)推出了 其最新的 3D 打印机 OWL Nano(两款最新的 MC 系列 3D 打印机: MC-1 和 MC-2), 打印精度达到 100 nm. 2015年 3 月,德国 TETRA 将推出全球精度最高的纳 米 3D打印机,已经被用在组织工程和细胞培养等方 面,其高分辨率的支架可支持细胞成长,同时也可针 对不同类型的细胞进行优化 .2015 年 3 月 20 日,美国 Carbon3D 公司和北卡罗来纳大学研宄人员在 Sc/
11、mce 杂志发表文章,报道了一种革命性改进的 3D 打印技 术 - 连续液体界面生产技术 (continuous liquid interface production, CLIP)技术,并被选为杂志封面, 将3D 打印速度提高 100 倍 22.目前美国、德国、英 国、日本、韩国等都纷纷斥巨资开展微纳尺度 3D 打 印基础理论、装备、材料及工业化应用研宄 .微纳尺 度 3D 打印被美国麻省理工学院的技术评论列为 2014 年十大具有颠覆性的新兴技术 . 微纳尺度 3D 打印目前已经被用于航空航天、组 织工程、生物医疗、微纳机电系统、新材料 (超材料、 轻量化材料、智能材料、复合材料 )、新能
12、源 (燃料电 池、太阳能等 )、柔性电子、印刷电子、微纳光学器 件、微流控器件等众多领域和行业 2326.图 1 给出了 目前微纳尺度 3D 打印一些典型应用 . 本文综述了微纳尺度 3D 打印近年重要的研究进 展和代表性研宄成果,微纳尺度 3D 打印典型重大应 用,讨论了微纳尺度 3D 打印当前面临的挑战性问题、 图 1 微纳尺度 3D 打印典型应用 中国科学:技术科学 2015 年第 45 卷第 9 期 需要重点解决的关键科学和技术问题,并探讨了微纳 尺度 3D 打印未来的应用前景和发展方向及 趋势 . 2 微纳尺度 3D 打印研究进展 随着 3D 打印和微纳科技的迅猛发展,为了满足 航空
13、航天、生物医疗、组织工程、微纳机电系统等不 同领域和行业的需求,近年国内外研宄人员已经开发 出多种类型微纳尺度 3D 打印工艺、打印材料 (聚合物、 金属、陶瓷、生物材料、复合材料等 )和装备,并应用 于多个领域和行业 .基于不同成型原理、打印材料、 分辨率等因素,微纳尺度 3D 打印可大致划分为:微立 体光刻;基于双光子聚合 3D 激光直写;电喷印;微激 光烧结( micro laser sintering technology, MLS 或者 laser micro sintering, LMS);电化学沉积 (electrochemical fabrication, EFAB); 喷墨打
14、印 、气溶胶喷射打印、 微三维打印 (喷射粘结 )、复合 3D 打印、 4D 打印等 . 2.1 微立体光刻 (microstereolithography, MSL/ |aSL) 微立体光刻是在传统 3D 打印工艺 立体光固 化成型 (stereolithography, SL)基础上发展起来的一种 新型微细加工技术 27 2Q,与传统的 SL 工艺相比,它 采用更小的激光光斑 (几个微米树脂在非常小的而 积发生光固化反应,微立体光刻采用的层厚通常是 110 pm.根据层而成型固化方式的不同划分为:扫 描微立体光刻技术和而投影微立体光刻技术,其基 本原理如图 2 所示27,3CU1.扫描微立
15、体光刻是由 Ikuta 和 Kirowatari32最先提出,扫描微立体光刻固化每层 聚合物采用点 -对 -点或者线 -对 -线方式,根据分层数 据激光光斑逐点扫描固化(图 2UU).该方法加工效率 较低、成本高 .近年,国际上又开发了而投影微立体 光刻技术 (整体曝光微立体 光刻 ),通过一次曝光可以 完成一层的制作,极大提高加工效率 .其基本原理如 图 2(b所示:利用分层软件对三维的 CAD数字模型 按照一定的厚度进行分层切片,每一层切片被转化 为位图文件,每个位图文件被输入到动态掩模,根据 显示在动态掩模上的图形每次曝光固化树脂液而一 个层而 .与扫描微立体光刻相比,而投影微立体光刻
16、具有成型效率高、生产成本低的突出优势 .已经被认 为是目前最有前景的微细加工技术之一 .动态掩模 是而投影微立体光刻的关键功能模块之一,液晶显 (a) 快门 图 2 微立体光刻原理示意图 3(| (a)扫描微立体光刻 :( b)而投影微立体光刻 不器 (LCD)、空间光调制器 (spatial light modulator, SLM)、数字微反射镜 (digital micro-mirror device, DMD:: )等都已经被用作动态掩模 .1997 年, Bertscli 等 人 33首先提出采用 LCD 作为动态掩模,但是基于 LCD的而投影光刻存在一些固有的缺陷:诸如转换 速度低
17、(20 ms)、 像素尺寸大 (分辨率低 、低填充率、 折射元件低的光学密度 (关闭模式 、高光吸收 (打开模 式这些缺陷限制了而投影微立体光刻性能的改进 和分辨率的提高 .近年提出的基于 DMD动态掩模而 投影微立体光刻已经显示出更好的性能和应用前景 , 目前而投影微立体光刻主要采用数字 DMD作为动态 掩模 .微立体光刻已经被用于组织工程、生物医疗、 超 材料、微光学器件、微机电系统 (MEMS等众多领 域 3437.尤其是美国劳伦斯 利弗莫尔国家实验室和 麻省理工学院采用而投影微立体光刻制造的超材料 是该工艺重大代表性应用成果 16+ 目前多数微立体光刻工艺被限定使用单一材料 , 然而对
18、于许多应用 (诸如组织工程、生物器官、复合 材料等 需要多种材料的微纳结构 .Choi 等人 开发 了基于注射泵的而投影微立体光刻,实现了多材料 微纳尺度 3D打印,注射泵被集成到现有的微立体光 刻系统中,用于多种材料的输送和分配 .他们利用开 921 兰红波等:微纳尺度 3D 打印 发的装置和工艺,已经实现了多材料 (:三种不同树脂 材料 )微结构 3D 打印,如图 3 所示 . 微立体光刻成型材料以光敏树脂为主, Zhang 等 人39开发了基于陶瓷材料的微立体光刻工艺,微结 构分辨率达到 1.2 nm, 已经制造出直径 400 nm的陶 瓷微齿轮,以及深宽比达到 16 的微管 .对于基于
19、陶 瓷材料的微立体光刻,为了进一步提高精度和表面 质量,需要降低陶瓷浆料的黏度 (减小层厚和获得高 质量的涂层 ), Adake 等人 36使用竣酸作为分散剂, 1, 6 己二醇二丙烯酸酯树脂,并提出一种约束表面质量 技术,避免陶瓷零件后处理烧结过程中出现裂纹缺 陷 .维也纳 Lithoz 公司基于其核心专利技术基于光刻 陶瓷制造 ( lithography-based ceramic manufacturing, LCM), 已经开发出工业级陶瓷 3D 打印机 (CeraFab 7500),其平面分辨率达到 40 nm. 通过光学再设计,提高曝光和成像均匀性;引入 准直透镜和棱镜到光路系统中
20、,缩短光路距离、减小 设备体积, Ha 等人 4 研发了一种新型面投影微立体 光刻系统,目标是用于介观尺度微结构阵列的规模 化制造 .此外,微立体光刻也被用于微制造中的免装 配工艺,极大降低生产成本,提高产品的可靠性 41+ 2015 年 3 月 20 曰, Carbon3D 公司的 Tumbleston 等人 2 2 在美国上发表了一项颠覆性 3D 打印 新技术: CLIP 技术 .CLIP 技术不仅可以稳定地提高 3D 打印速度,同时还可以大幅提高打印精度 .打破了 3D 打印技术精度与速度不能同时提高的悖论,将 3D 打印速度提高 100 倍,并且可以相对轻松地得到无层 面(layerl
21、ess)的打印制品 .困扰 3D 打印技术已久的高 速连续化打印问题在 CLIP 技术中被完全克服 .图 4(a) 是CLIP 技术的基本原理,以及在 SWewce 上的封面 (图4(b). CLIP 的基本原理:底面的透光板采用了透 氧、透紫外光的特氟龙材料 (聚四氟乙烯 ),而透过的 氧气进入到树脂液体中可以起到阻聚剂的作用,阻 止固化反应的发生 .氧气和紫外光照的作用在这个 区域内会产生一种相互制衡的效果:一方面,光照会 活化固化剂,而另一方面,氧气又会抑制反应,使得 靠近底面部分的固化速度变慢 (也就是所谓的 “Dead Zone”). 当制件离开这个区域后,脱离氧气制约的材 料可以迅
22、速地发生反应,将树脂固化成型 .除了打印 速度快, CLIP 系统也提高了 3D打印的精度,而这一 点的关键也还在 “ 死区 ” 上 .传统的 SLA技术在打印 换层的时候需要拉动尚未完全固化的树脂层,为了 不破坏树脂层的结构,每个单层切片都必须保证一 定的厚度来维持强度 .而 CLIP的固化层下面接触的 是液态的 “ 死区 ” ,不需要担心它与透光板粘连,因此 图 3 基于多材料微立体光刻工艺打印三材料微结构 38 图 4 CLIP 技术基本原理和 Science 封面 22 多材料 CAD 模型; ( b)打印的 Rook 和 Post andlielix 结构 CLIP 原理示意图; (
23、 b) Science 封面和 CLIP 打印的微纳结构 922 中国科学:技术科学 2015 年第 45 卷第 9 期 自然也更不容易被破坏 .于是,树脂层就可以被切得 更薄,更高精度的打印也就能够实现了 .CLIP 实现了 高速连续打印 22. 最近,澳洲 Gizmo 3D 公司展示了另一个速度超 快的光固化 (SLA)3D 打印机,号称超过了 CLIP. Gizmo 3D采用的是自上而下打印模式,而非自下而 上的打印(Carbon3D公司 ).此外,来自美国 University of Buffalo 的 Pang 也开发 了一种类似 CLIP 工艺, 但不使用可透氧气的窗口,而是通过一
24、种特殊的膜 来创建未固化树脂薄层 .这种特殊的膜有 2 个优势 . 首先,它比可透氧窗口便宜得多,其价格仅为后者的 1/100;第二,该膜是非常容易成型,这意味着我们可 以用这种膜制成我们的几乎任何形状 . 尽管微立体光刻已经取得重大进展,但是当前 也面临一些挑战性和亟待突破的难题: 1)提高分辨 率和成型件的尺寸; 2)由于微立体光刻无法使用支 撑结构,难以制造必须使用支撑结构的微零件或微 结构; 3)扩大可利用的材料 (当前一个最大的不足就 是仅仅有限的聚合物材料能够使用,主要是丙烯酸 酯、环氧树脂等光敏树脂材料 ),开发新型复合材料 ; 4)进一步提高生产效率,降低生产成本 . 2.2
25、基于双光子聚合激光 3D 直写 由于树脂材料的黏度、表面张力等因素的影响, 最小涂层厚等因素的限制;以及微立体光刻固化是 基于单光子吸收聚合固化的本质特性,微立体光刻 目前能达到的分辨率是在微尺度范围,如果进一步 提高微立体光刻的分辨率,实现亚微尺度和纳尺度 结构制造将面临巨大的挑战 4244. 基于双光子聚合激光 3D 直写提供了一种有效的 解决方案,而且是目前实现纳尺度 3D 打印最有效的 一种技术 .不同于传统的微立体光刻 (是一种单光子微 立体光刻工艺 ),基于双光子聚合激光直写 3D 打印是 基于双光子聚合原理 (或者多光子吸收, multiphoton- absorption).双
26、光子聚 合是物质在发生双光子吸收后 所引发的一种光聚合过程,双光子吸收是指物质的 一个分子同时吸收两个光子,双光子吸收的发生主 要在脉冲激光所产生的超强激光焦点处,光路上其 它地方的激光强度不足以产生双光子吸收,并且由 于所用光波长较长,能量较低,相应的单光子吸收过 程不能发生 .单光子激发聚合固化和双光子激发聚 合固化二者的区别如图 5 所示 34.因此,双光子过程 单光子激发 双光子激发 图 5 单光子激发聚合和双光子激发聚合 34 具有良好的空间选择性 .双光子聚合激光直写 3D 打 印就是利用了双光子吸收过程对材料穿透性好、空间 选择性高的特点,其基本原理如图 6 所示 34. Mar
27、uo 等人 45在 1997 年提出基于双光子聚合的 微纳制造技术,与现有的其他工艺相比,双光子聚合 能够制造更高分辨率的三维微纳结构 .根据阿贝衍 射极限,聚焦激光的分辨率被限定在所使用的光的 波长和聚焦物镜的数值孔径 (NA), 基于单光子聚合 的微立体光刻难以达到亚微米分辨率 .其它高分辨 微纳制造技术如电子束光刻受限于表面效应,不像 双光子聚合,它是一种按量技术 (in-volume).双光子 吸收是一种非线性现象,如果辐照足够高并且在基 态和激发态之间的跃迁能与两个光子的结合能相匹 配,任何材料都能发生双光子吸收 .双光子吸收率与 入射光的强度的平法成正比 .这个二元效应限制这 种现
28、象在焦点处发生,这又转而限制了光聚合在亚 微尺度的体积内 .双光子聚合工艺已经实现Sub-50 nm 复 杂 三 维 微 纳 结 构 的 制 造 4244. 德国NanoScribe 图 6 基于双光子聚合的激光直写系统原理示意图 923 兰红波等:微纳尺度 3D 打印 公司、维也纳科技大学等研宄相继开发了基于双光子 聚合激光直写微纳尺度 3D 打印设备和装置,基于双 光子聚合激光直写 3D 打印目前己经显示出巨大的潜 能和工业化应用前景 2 464S. 2001 年 Kawata 等人 5利用超短脉冲激光 (波长为 780 nm 的近红外飞秒脉冲激光 )诱导光刻胶发生双光 子聚合反应制造出长
29、 10 和高 7 pm 的纳米牛,其分辨 率达到 120 nm, 突破了传统光学理论的衍射极限, 实现了利用双光子加工技术制造亚微米精度的三维 结构 .在双光子聚合工艺中,两种扫描方法 (表面轮 廓和栅格扫描 )都不需要树脂分层,对于表面轮廓扫 描方式,激光束光斑扫描在树脂三维内部,飞秒激光 脉冲具有极短的脉冲宽度和极高的峰值功率,与物 质相互作用时呈现强烈的非线性效应,作用时间极 短,热效应小 .近红外区的飞秒激光又能避免紫外激 光对大多数材料不透明的缺点,它可以深入透明材 料内部在介观尺度上实现真正意义上的三维立体微 加工 .因此,与传统分层微立体光刻相比,双光子聚 合具有更高的分辨率 4
30、24M9. 2013 年 2 月德国 NanoScribe 公司发布了目前世 界上具有最快打印速度的微纳尺度 3D 打印机, Photonic Professional GT(如图 7(a)所不 ),图 7(b)是其 设备照片,它是一种激光直写技术或三维激光光刻 12 (direct laser writing/tliree-dimensional laser litho- gr aphy), 利用超短激光脉冲曝光预定义的 3D 微纳结 构在光敏材料上制作出具有自我支撑的微纳米结构, 实现无需掩模或者模具直接制造复杂三维微纳结构 . 图 7 德国 NanoScribe 3D 打印原理、设备和打
31、印结构 M 图 7(c) 是 制 造 的 一 些 典 型 微 纳 结 构 .Photonic Professional GT 可以以每秒超过 5 太位 (terabits)的速 度来打印聚合 物波导,其三维侧向特征尺寸 材料类型 发展优先度 规模化应用潜能 光敏树脂 3 5 光敏树脂基复合材料 2 3 生物 (兼容性 )材料 3 5 金属材料 3 4 陶瓷材料 (复合、纳米 ) 3 4 金属纳米粒子 5 4 纳米银墨水 2 4 石墨烯 2 4 半导体材料 2 4 自组装材料 2 3 纳米材料 (金属纳米粒子、 碳纳米管、陶瓷和半导 3 5 体纳米粒子等 ) 复合材料 2 4 a) 发展优先度
32、.1 正常; 2 优先; 3 重点优先; b) 规模化应用潜能 .1 低; 2 较低 ; 3 般 ;4 较高; 5 很高 和器官的生物相容性材料、可降解的组织支架材料等 还较少,尤其是能够可以成熟利用的材料则更为 匮乏 . 3) 多材料打印 .对于生物组织和器官、超材料、 复合材料等应用,亟需多材料打印工艺,现有的各种 微纳尺度 3D 打印大多还是单材料打印,工业级微纳 尺度多材料 3D 打印设备目前市场几乎还是空白 . 4) 亚微尺度复杂三维金属微结构控形、控性制 造 .现有的微激光烧结打印机能达到的精度还局限 在微尺度 .另外,满足亚微尺度金属微结构制造要求 的粉末状金属材料、金属基复合材
33、料几乎还没有 . 5) 组织工程和生物医疗是未来微纳结构增材制 造所面临的最巨大的市场需求 .虽然 3D 打印的牙 齿、植入式假体 (骨替代物、关节等 )、简单组织支架 等目前已经被用于临床,但是,真正巨大需求的活性 生物组织和器官 (心脏、肝脏、肾等 )3D 打印距离临床 935 兰红波等:微纳尺度 3D 打印 应用实用化还有很长的距离 .目前最大的制约因素 和瓶颈就是血管的 3D 打印和复杂内脏组织支架,尤 其是管径非常小 (平均为 69 (xm)的毛细血管还无法 制造 .目前在免于排斥反应、具有生物活性组织器官 打印方面还未成熟 . 6) 微纳复合 3D 打印 .同时具有微尺度和纳尺度
34、跨尺度制造功能,实现大面积三维微纳复合结构制 造的微纳复合 3 D 打印目前的相关研宄几乎还处于 空白 . 7) 多材料、高深宽比微纳复合结构控形、控性 一体化制造 . 此外,与传统 3D 打印类似,微纳尺度 3D 打印也 同样面临台阶效应、层间错位、机械特性各项异性等 原理上难以解决的问题 .此外,有关 3D 微纳结构增 材制造建模、可靠性、技术标准的研宄也亟待被深入 开展 . 面投影微立体光刻、双光子光刻、微激光烧结、 亚微尺度的多材料电喷印系统、 CLIP 代表着未来微 纳尺度 3 D 打印的发展方向 .复合 3D 打印技术 (与现 有微纳制造技术相结合,如 3D 打印与纳米压印, 3D
35、 打印与自组装生长等 、大而积宏 /微 /纳跨尺度 3D 打 印、多喷头和多材料 3D 打印、柔性电子器件 3D 打 印、纳尺度 4D 打印是未来几年亟待突破的方向 .工 业级微纳尺度 3D 打印设备,低成本、环保、功能打 印材料、复合材料、纳米材料以及生物兼容材料是未 来微纳尺度3 D 打印技术亟待突破的领域 .毛细血 管、轻量化材料、超材料、组织器官、柔性电子、微 纳光学器件、亚微尺度复杂三维金属结构 /零件的制 造是当前微纳尺度 3D 打印在应用方面的研宄热点 . 此外,基于物理 /化学 /生物等原理的微纳结构増 材制造新方法与新工艺,复合微纳尺度 3D 打印、 4D 打印技术以及基于微
36、纳结构增材制造的宏 /微 /纳跨尺 度研宄也是未来重点亟待突破的方向 . 尽管目前微纳尺度 3D 打印还处于发展初期,面 临许多挑战性难题 .但是,微纳尺度 3D 打印的发展 潜力、社会需求和影响力是重大的,其巨大的潜能还 远远没有被完全挖掘和释放出来 .通过更深入的研 宄 .构建系统完善的微纳尺度 3D 打印体系结构,包 括微纳尺度 3D 打印设计建模、工艺、装备、材料和 应用等,加强多学科交叉和融合 .微纳尺度 3D 打印 (微纳结构增材制造 未来必将成为一项重要的微纳 制造技术和强有力的工具 . 参考文献 _ 1 Derby B. Printing and prototyping of
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