Las impresoras 3D micro - nano pueden lograr una fabricación precisa de estructuras complejas en micras e incluso nanoescalas, y su alta precisión rompe los límites de la tecnología de fabricación tradicional, cuyo núcleo radica en la optimización colaborativa de "luz - material - control".

I. principios básicos:

La esencia de la impresión 3D micro - nano es solidificar selectivamente / fundir materiales en áreas específicas a través de haces de alta densidad de energía (como láser, haz de electrones) o chorros de microgotas, apilando capa por capa para formar una estructura tridimensional. En el caso de la técnica de polimerización de dos fotones (tpp), que utiliza la Potencia máxima (> GW / CM m2) del láser Femtosegundo (longitud de onda 780 - 800nm, ancho de pulso inferior a 100 femtosegundos) para que la resina fotosensible (incluido el fotoiniciador) produzca una absorción de dos fotones en el foco (la absorción tradicional de un solo fotón solo se absorbe linealmente en la ruta láser, mientras que la absorción de dos fotones requiere que dos fotones actúen simultáneamente sobre la misma molécula, la probabilidad es proporcional al cuadrado de la intensidad de la luz y solo se produce en la región de foco de alta intensidad). Cuando la intensidad de la luz en el foco alcanza el umbral (generalmente > 10 W / CM m2), la cadena molecular de la resina fotosensible se rompe y se vuelve a polimerización para formar un polímero sólido (la precisión de curado puede alcanzar los 10 - 100 nm). Al controlar la trayectoria de movimiento del foco láser en el espacio tridimensional (con una plataforma cerámica piezoeléctrica de alta precisión, con una resolución de desplazamiento inferior a 1 nm), se construye una estructura objetivo punto por punto, línea por línea y capa por capa.

En el caso de la tecnología de fusión de haz de electrones (ebm), que se utiliza principalmente para la impresión de microestructuras metálicas, utiliza haces de electrones de alta energía (energía de 10 - 30 kev, densidad de haz > 10 A / CM m2) para centrarse en la superficie de polvo metálico (como aleación de titanio, aleación a base de níquel) en un ambiente de vacío (> 10⁻ pa), haciendo que las partículas en polvo se derritan y solidifiquen instantáneamente. El diámetro de enfoque del haz de electrones puede ser tan pequeño como 1 - 10 micras (controlado con precisión por una lente electromagnética), y a través de la planificación de la ruta de escaneo (como el escaneo paso a paso o el escaneo en espiral), se logra una formación precisa de dimensiones características a nivel de micras (como el diámetro de la barra de la estructura de la red inferior a 5 micras).

2. apoyo técnico clave:

1. control de movimiento de alta precisión:Impresora 3D micro - NanoSe utiliza una plataforma de desplazamiento nanométrico (como un motor de cerámica piezoeléctrica, con una resolución de desplazamiento inferior a 0,1 nm y una precisión de posicionamiento repetida de ± 10 nm), junto con un sistema de escaneo láser / haz de electrones (como un vibrador o una lente electromagnética) para lograr un control de movimiento submicron en el espacio tridimensional. Por ejemplo, la plataforma piezoeléctrica de la impresora de dos fotones puede lograr una precisión de posicionamiento de ± 20 nm en tres direcciones X / y / z, asegurando que el error de alineación de las capas de impresión adyacentes sea inferior a 100 nm.

2. optimización de las características del material: los materiales impresos (como la resina fotosensible, el polvo metálico) deben tener una alta actividad de reacción (como la gran sección transversal de absorción de dos fotones de la resina fotosensible) y una baja tasa de contracción (cambios de volumen menores del 2% después de la solidificación / fusión para evitar la deformación estructural). Por ejemplo, las resina fotosensible especialmente diseñadas para la tecnología TPP contienen fotoiniciadores de gran volumen (como darocur tpo), cuya eficiencia de absorción de dos fotones es 10 veces mayor que la de los iniciadores tradicionales, lo que permite una solidificación de alta precisión a baja potencia láser.

3. regulación precisa de los parámetros del proceso: la Potencia láser (generalmente 1 - 100 mw), la velocidad de escaneo (1 - 100 μm / s), el espesor de la capa (10 - 100 nm) y otros parámetros deben ajustarse finamente de acuerdo con las necesidades de material y estructura. Por ejemplo, al imprimir microestructuras de relación altura - profundidad - ancho (como vigas en voladizo, Altura / anchura > 10: 1), es necesario reducir la velocidad de escaneo (> 10 μm / s) y aumentar la Potencia láser (> 50 mw) para garantizar una solidificación adecuada de la capa inferior; Al imprimir patrones finos (como una matriz de microlentes con un radio de curvatura inferior a 1 μm), es necesario reducir el espesor de la capa (> 20 nm) y optimizar la ruta de escaneo (evitar el efecto escalera).

4. control ambiental: el entorno de impresión (como temperatura, humedad, vibración) tiene un impacto significativo en la precisión. Las impresoras 3D micro - nano a nivel de laboratorio suelen estar equipadas con incubadoras (fluctuación de temperatura < ± 0,1 ° c), deshumidificadores (humedad inferior al 30%) y plataformas de amortiguación activa (aislamiento de la vibración del suelo, amplitud de vibración inferior a 1 nm) para garantizar el rendimiento del material y la estabilidad del movimiento del equipo durante el proceso de impresión.

　　Impresora 3D micro - NanoA través de la optimización colaborativa de "enfoque energético - reacción de materiales - control de movimiento", se rompen los límites de precisión de la fabricación tradicional, se proporciona una mejor energía de fabricación para sistemas electromecánicos micro - nano (microelectromecánicos), biomedicina (como soportes de ingeniería de tejidos), dispositivos ópticos (como lentes supersuperficiales) y otros campos, y se promueve el desarrollo de la tecnología de fabricación micro - nano hacia estructuras más precisas y complejas.