基於面投影微立體光刻技術（PμSL）的3D列印

面投影微立體光刻（Projection Micro Stereolithography, PμSL）是一種面投影光固化3D列印技術，適用於製作微尺度的複雜三維結構，有著高解析度、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、最小加工特徵尺寸、最大成型幅面、適配列印材料、與其他3D列印技術的對比、產業化技術創新等方面，對這一技術進行詳細介紹。

圖1 基於PμSL 3D列印技術製作的複雜三維結構示例

一、成型原理

圖2所示為PμSL 3D列印技術的成型過程，首先使用建模軟體構建出三維結構模型；接著使用切片軟體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；然後採用PμSL 3D列印系統對切片後的每一層圖案進行整面投影曝光；反覆重複上一步驟並層層堆疊最終成型出所需的三維結構。

圖2 PμSL 3D列印技術成型過程

PμSL 3D列印技術成型三維結構的關鍵在於光敏樹脂材料在紫外光的作用下發生光聚合反應從而固化，而特定圖形的產生則依賴於列印系統中的DMD（Digital Micromirror device）晶片所生成的數字動態掩模。如圖3所示，切片後的模型數據導入到列印系統後，這些二維圖像數據發送至DMD，DMD根據圖像數據控制晶片上各個微鏡（即DMD上的每一像素點）的偏轉。因此，光源發出的紫外光在到達DMD後將重新整形生成與圖形數據一致的光。最後，經調製後的光通過最終物鏡投影至液態樹脂材料表面，對特定區域進行選擇性曝光從而生成特定結構。此外，列印系統還可通過列印平臺的移動，拼接列印出大幅面的圖形結構。

圖3 典型的PμSL 3D列印系統

二、最小加工特徵尺寸

通過控制投影物鏡的微縮倍率，PμSL 3D列印技術可以實現幾微米甚至幾百納米的特徵尺寸。深圳摩方材料科技有限公司（以下簡稱「摩方」）基於在這一技術領域的多年沉澱，自主研發出了一系列PμSL 3D列印系統，已經量產的產品最高光學解析度可達2 μm（這裡提到的光學解析度是指投影光單個像素點的大小）。藉助這一高分辨系統，2 μm線寬二維網格線條和8.5 μm杆徑三維點陣得以實現（圖4）。

圖4摩方3D列印系統列印的2 μm線寬二維線條和8.5 μm杆徑三維點陣

三、最大成型幅面

PμSL技術採用整面曝光，其中曝光圖形由DMD控制產生。因此，一般情況下，PμSL 3D列印系統的最大成型幅面取決於光學解析度大小以及DMD像素點數量，DMD成像晶片尺寸固定，通過投影鏡頭只能實現固定的投影幅面。最大成型幅面與系統光學解析度呈矛盾關係，即當提高系統光學解析度時，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、跨尺度列印得以實現。以摩方PμSL 3D列印系統為例，固定投影列印與拼接列印的幅面如表1所示。

表1 固定投影列印與最大列印幅面對比

四、適配列印材料

PμSL 3D列印技術的加工成型基於材料的光聚合，因此其列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化。除上述純樹脂材料以外，功能顆粒摻入樹脂中形成的複合樹脂材料同樣可用於列印，如磁性顆粒複合樹脂、陶瓷顆粒複合樹脂、金屬顆粒複合樹脂等。

五、與其他3D列印技術的對比

表2是PμSL技術與其他3D列印技術規格的對比，主要基於已商業化產品的規格對比。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列印技術，可實現大尺寸結構的加工成型，但其精度相對較低。雷射逐點掃描光固化和雙光子雷射直寫技術則可實現非常高的解析度，然而逐點掃描加工的特性極大地限制了其成型速度。此外，雙光子雷射直寫技術的成型尺寸通常在毫米級。相較而言，PμSL 3D列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列印技術的對比

六、產業化技術創新

相較於實驗室技術，工業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列印材料、更大的列印幅面、更穩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化上進行了諸多工業級技術創新，例如增加氣泡消除系統、雷射測距、加熱列印等創新功能，用以進一步提高列印質量、精密控制加工公差、拓寬列印材料的範圍，以滿足精密工業設計和製造的需求。