面投影微立體光刻（Projection Micro Stereolithography, PμSL）是一種面投影光固化3D打印技術，適用于制作微尺度的復雜三維結構，有著高分辨率、高精度、跨尺度加工、適用材料廣、加工效率高、加工成本低等諸多特點。本文將從成型原理、最小加工特征尺寸、最大成型幅面、適配打印材料、與其他3D打印技術的對比、產業(yè)化技術創(chuàng)新等方面，對這一技術進行詳細介紹。

圖1 基于PμSL3D打印技術制作的復雜三維結構示例

      一、成型原理

     圖2所示為PμSL 3D打印技術的成型過程，首先使用建模軟件構建出三維結構模型；接著使用切片軟件對三維模型以一定大小的層厚進行切片處理，得到一系列具有特定圖案的二維圖片；然后采用PμSL 3D打印系統(tǒng)對切片后的每一層圖案進行整面投影曝光；反復重復上一步驟并層層堆疊最終成型出所需的三維結構。

圖2 PμSL3D打印技術成型過程

      PμSL3D打印技術成型三維結構的關鍵在于光敏樹脂材料在紫外光的作用下發(fā)生光聚合反應從而固化，而特定圖形的產生則依賴于打印系統(tǒng)中的DMD（Digital Micromirror device）芯片所生成的數(shù)字動態(tài)掩模。如圖3所示，切片后的模型數(shù)據(jù)導入到打印系統(tǒng)后，這些二維圖像數(shù)據(jù)發(fā)送至DMD，DMD根據(jù)圖像數(shù)據(jù)控制芯片上各個微鏡（即DMD上的每一像素點）的偏轉。因此，光源發(fā)出的紫外光在到達DMD后將重新整形生成與圖形數(shù)據(jù)一致的光。最后，經(jīng)調制后的光通過最終物鏡投影至液態(tài)樹脂材料表面，對特定區(qū)域進行選擇性曝光從而生成特定結構。此外，打印系統(tǒng)還可通過打印平臺的移動，拼接打印出大幅面的圖形結構。

圖3 典型的PμSL3D打印系統(tǒng)

     二、最小加工特征尺寸

    通過控制投影物鏡的微縮倍率，PμSL 3D打印技術可以實現(xiàn)幾微米甚至幾百納米的特征尺寸。深圳摩方材料科技有限公司（以下簡稱“摩方"）基于在這一技術領域的多年沉淀，自主研發(fā)出了一系列PμSL3D打印系統(tǒng)，已經(jīng)量產的產品最高光學分辨率可達2 μm（這里提到的光學分辨率是指投影光單個像素點的大小）。借助這一高分辨系統(tǒng)，2 μm線寬二維網(wǎng)格線條和8.5 μm桿徑三維點陣得以實現(xiàn)（圖4）。

圖4 摩方3D打印系統(tǒng)打印的2 μm線寬二維線條和8.5 μm桿徑三維點陣

     三、最大成型幅面

    PμSL技術采用整面曝光，其中曝光圖形由DMD控制產生。因此，一般情況下，PμSL 3D打印系統(tǒng)的最大成型幅面取決于光學分辨率大小以及DMD像素點數(shù)量，DMD成像芯片尺寸固定，通過投影鏡頭只能實現(xiàn)固定的投影幅面。最大成型幅面與系統(tǒng)光學分辨率呈矛盾關系，即當提高系統(tǒng)光學分辨率時，其最大成型幅面相應減小。拼接技術很好地解決了這一矛盾，使得高分辨、大幅面、跨尺度打印得以實現(xiàn)。以摩方PμSL3D打印系統(tǒng)為例，固定投影打印與拼接打印的幅面如表1所示。

表1 固定投影打印與最大打印幅面對比

      四、適配打印材料

     PμSL3D打印技術的加工成型基于材料的光聚合，因此其打印材料為光敏樹脂材料。針對不同應用需求，硬性樹脂、韌性樹脂、耐高溫樹脂、生物兼容性樹脂、柔性樹脂、透明樹脂、水凝膠等諸多樹脂材料已商業(yè)化。除上述純樹脂材料以外，功能顆粒摻入樹脂中形成的復合樹脂材料同樣可用于打印，如磁性顆粒復合樹脂、陶瓷顆粒復合樹脂、金屬顆粒復合樹脂等。

     五、與其他3D打印技術的對比

    表2是PμSL技術與其他3D打印技術規(guī)格的對比，主要基于已商業(yè)化產品的規(guī)格對比。熔融沉積成型和聚合物噴射光固化是目前較廣泛的兩種3D打印技術，可實現(xiàn)大尺寸結構的加工成型，但其精度相對較低。激光逐點掃描光固化和雙光子激光直寫技術則可實現(xiàn)非常高的分辨率，然而逐點掃描加工的特性極大地限制了其成型速度。此外，雙光子激光直寫技術的成型尺寸通常在毫米級。相較而言，PμSL3D打印技術很好地平衡了高精度、高速度、大幅面的特點。

表2 PμSL技術與其他3D打印技術的對比

      六、產業(yè)化技術創(chuàng)新

     相較于實驗室技術，工業(yè)市場對這一技術提出了更多更高要求，包括更廣泛的功能性打印材料、更大的打印幅面、更穩(wěn)定的公差控制等方面。深圳摩方材料科技有限公司在這一技術的產業(yè)化上進行了諸多工業(yè)級技術創(chuàng)新，例如增加氣泡消除系統(tǒng)、激光測距、加熱打印等創(chuàng)新功能，用以進一步提高打印質量、精密控制加工公差、拓寬打印材料的范圍，以滿足精密工業(yè)設計和制造的需求。

本文對PμSL這一高精度、高速度、大幅面的三維復雜結構成型加工技術進行了簡要介紹，這一技術適用于復雜精密結構一次成型、快速原型器件驗證、小批量功能部件加工等，可用于多個應用領域。后續(xù)本公眾號將持續(xù)推出關于這一技術的應用案例，敬請期待。