供稿人：齊晨云、連芩 供稿單位：西安交通大學(xué)精密微納制造技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2025-03-01
還原光聚合（VPP）技術(shù)因其精細(xì)的分辨率、適應(yīng)性和快速原型制作能力在微流控芯片制造等精密微加工應(yīng)用領(lǐng)域備受推崇。然而，紫外線能量穿透導(dǎo)致的樹脂過固化難題給微通道等精密結(jié)構(gòu)打印帶來了巨大障礙。解決還原光聚合打印過程中的過固化問題有助于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的高精度制造，同時(shí)也可以為結(jié)構(gòu)后處理形性控制提供保障。
都柏林大學(xué)Nan Zhang[1]等通過研究樹脂特性與過固化之間的復(fù)雜關(guān)系解決了微通道打印過程中的過固化難題。首先，該團(tuán)設(shè)計(jì)了支柱結(jié)構(gòu)，通過對每種固化厚度下支柱結(jié)構(gòu)的測量與數(shù)據(jù)曲線擬合確定了透明樹脂打印的打印參數(shù)，如圖1所示，確定了最佳打印參數(shù)后，利用確定的參數(shù)打印出閉合內(nèi)聯(lián)微流控芯片。根據(jù)光固化數(shù)學(xué)模型，持續(xù)的能量照射會(huì)促使微通道內(nèi)的樹脂逐漸固化，從而導(dǎo)致過度固化。因此，為了更好地避免微結(jié)構(gòu)形成過固化的打印件，減少過固化對微流控芯片印刷的影響，該團(tuán)隊(duì)通過改變通道頂部厚度的方法，研究了不同通道頂部厚度對打印件過固化的影響。
圖1 固化性能測試模型與擬合曲線
圖2 不同通道頂部厚度對打印件過固化的影響
隨著頂部厚度增加(b)~(i)，紫外光穿透減少，過固化逐漸減弱
根據(jù)對圖2中通道截面分析，打印后的微流控芯片通道過固化現(xiàn)象完全偏離了紫外線能量穿透模型的預(yù)測。基于此現(xiàn)象，該團(tuán)隊(duì)采用COMSOL仿真研究實(shí)際的光固化打印過程如圖3所示。分析表明，在打印過程中，離型膜與固化結(jié)構(gòu)表面之間的粘附力促使樹脂在封閉式微流控芯片的內(nèi)部通道中定向流動(dòng)。此外，通道內(nèi)壁上不均勻的樹脂擠出會(huì)沉淀出不規(guī)則的過固化表現(xiàn)，導(dǎo)致“梯形截面”。實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果表明，不同粘度和表面粗糙度的樹脂會(huì)表現(xiàn)出不同的過固化行為，從而影響最終通道的打印精度。
圖3 （a）離型膜與打印件的剝離過程及對應(yīng)的樹脂流速變化；（b）不同樹脂粘度下微通道內(nèi)的樹脂流速；（c）不同樹脂分離位置下微通道內(nèi)樹脂流速
該研究結(jié)合實(shí)際的光固化打印過程和COMSOL的FSI模擬模型，發(fā)現(xiàn)樹脂粘度和固化結(jié)構(gòu)的表面粗糙度顯著影響微通道內(nèi)的樹脂流速和壓力，從而影響固化后的截面完整性，隨后，使用五種不同的樹脂打印封閉的微通道結(jié)構(gòu)，并觀察得到的微通道橫截面。結(jié)果證實(shí)，粘度和表面粗糙度較低的樹脂可以得到梯形截面，而粘度較高的樹脂可以得到理想的矩形形狀，這與模擬結(jié)論非常吻合。
該研究闡明了控制DLP打印微通道內(nèi)流體力學(xué)和剝離現(xiàn)象的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)，并強(qiáng)調(diào)了樹脂性能對解決打印過程過固化問題的影響，有望拓展至其他光固化材料的過固化打印分析，促進(jìn)高精度復(fù)雜內(nèi)腔、通道等結(jié)構(gòu)制造和更廣泛的光固化技術(shù)應(yīng)用。