微纳3d打印技术简介

微纳3d打印技术又被称为“快速成型技术”，是一种以计算机图形文件为基础，对材料逐层累加堆积成型的三维构型加工方式。其中的微纳3d打印在复杂三维微纳结构和高深宽比微纳结构制造方面具有很大的潜能和突出优势，而且还具有设备简单、效率高、用材广泛、直接成型等优点。

本文将重 点讲述微立体光刻(MSLA)、微激光烧结(MSLS)、熔融沉积造型(FDM)、片材层压(LOM)、双光子聚合(TPP)、直写成型技术(DIW)的基本结构原理和国内外应用现状，对不同微纳3d打印技术进行对比分析。

1、微立体光刻

微立体光刻 (MSLA) 是基于快速成型中光固化成型技术的改进，率先由Ikuta和Hirowatari 在制作微固化聚合物的过程中引进。由于微立体光刻有着亚微米级的三轴移动精度，微米级的激光喷头，所以能够打印层厚只有1～10 μm的微型结构。

根据成型方式的不同，微光刻主要分为扫描立体光刻和投影立体光刻。扫描立体光刻提出时间较早，主要是发散激光光斑逐层以点对点和面对面的方式固化光敏树脂，但是打印效率低，成本高，尤其是在激光束的对焦上会产生偏差。

2、微激光烧结

微激光烧结(MSLS)是使用高温激光或者电子束有选择性地熔化金属粉末并Z 后黏结成微尺度金属制品的一种快速成型方式。由于激光聚焦直径有限，普通 SLS系统还不能制造尺寸小于500 μm的微构件，因此想要获得高精度的微结构金属制品则需要更精密的结构和更细的金属颗粒。

Streek等通过直接炉内烧结碳化硅粉末获得了6 mm 外径的微型齿轮，强度达到了航天工业级的要求，但是表面质量不高。而德国米特维达科技大学联合激光研究所共同推出一款可以制造高精度陶瓷和金属微结构的MLS系统，Z 大分辨率为30 μm，Z小表面粗糙度为1.5 μm，大大提高了金属烧结制品的分辨率和表面粗糙度。

3、熔融沉积造型

熔融沉积造型 (FDM)是一种通过计算机控制喷头移动和挤出来制作三维构件的快速成型方式。由于喷头结构和运动精度的限制，FDM成型的实物还难以达到微米级的高精度水平，但通过对设备改进和研究，打印成品的精度也逐步提升，一些工业级 Solidscape系统打印的Z小层厚已在10 μm以下。

Zein 等利用 FDM 技术制作了 PCL 生物多孔支架，支架的通道尺寸是160～700 μm，线径为260～370 μm，并呈现出了良好的拉伸和压缩力学性能。

Vozzi 等通过改进喷头结构，设计了一种压力辅助微量注射(PAM)的方法，无需对材料加热熔融，直接使用气压驱动的微型注射器在基板上挤出生物材料支架，Z 终成型的尺寸控制在 10～200 μm，分辨率达到了10 μm。

4、片材层压

片材层压(LOM)技术主要是逐层铺设成张的纸或者金属片材，随后经激光切割后以黏结剂或者焊接的方式结合在一起。在这成型过程中使用焊接金属的工艺被称为超声波增材制造(UAM) ，而使用纸张的工艺被称为分层实体制造(LOM) 。

由于片材层压所能达到的精度远远小于其他 3D 成型方式，所以一般很少将其用于微部件的 3D 打印，但在一些带有内腔结构的金属或者陶瓷常采用此方法。

目前已经开发出计算机辅助制造片材层压材料的综合系统，专用于微小结构的成型。经激光切割完一层金属片或者陶瓷片形成规则图案后，迅速与之前的片层黏结，Z 后逐层堆积形成所需的形状图案。

此外，该技术一次可以同时成型5种材料，其中一种或两种充当支撑材料，层厚变化范围在30～1300 μm。

5、双光子聚合

双光子聚合(TPP)是一种利用超 强激光脉冲光源使光感材料、可聚合材料、液体材料交合，并在激光束聚焦区域硬化的成型工艺。相比于采用紫外激光单光子聚合的MSLA技术，双光子聚合采用了红外飞秒脉冲激光作为光源，突破了光学衍射的限制，能够制造分辨率高的纳米尺度任三维结构。

双光子吸收的发生主要在脉冲激光的焦点处，当焦点直径只有几百微米时，聚合成型物的直径可以降到100 nm 以下，获得几十纳米的高精度尺寸。典型的双光子聚合 3D 打印系统是以飞秒激光源发射激光电源，先后经过快门后衰减器调节曝光时间和光强，Z 后经物镜聚焦后照射到树脂表面，在三维移动控制下按预定模型的路径进行扫描成型。

Maruo 等S次在光敏树脂中利用双光子聚合打印出了微米级的三维微结构，而Z近维也纳理工大学则将这一技术推向更高的水平，仅仅用时4 min 制造出一个285 μm的微型 F1 方程式赛车，打印速率达到了5 m/s，远远超出了之前的数毫米每秒的速率。

6、直写成型

直写成型(DIW) 跟熔融沉积原理类似，通过控制喷头内悬浮液的流出以及喷头的移动可以制备出各种不同形状的三维结构图案。

根据流体挤出形式的不同，直写成型技术主要分为连续成型和液滴成型两种方式。其中液滴成型是通过控制静电场使带点液滴偏转而逐步堆积成型，连续成型则是控制液体流动堆积成型。直写成型可用材料范围广泛，功能性强，打印精度较高，因而受到了高度重视。

Wang 等通过控制低熔点金属液滴的下落来实现对微液滴3D 打印的快速调控，液滴直径控制在300 μm 以下，加快了复杂金属构件的成型速度。Landers 等用连续成型技术成功打印出了温敏性水凝胶支架，实现了生物支架的柔性化。Jennifer 等通过对常规打印喷头的改进，在硅胶上打印出数十微米宽的炭黑电阻，从而制作了带有特定功能的柔性人体传感器。

7、总结与展望

微纳3d打印发展至今，在技术上已经取得不少的突破和进展，尤其是近些年多方面因素的推动，使得这项技术能够得到大面积推广和普及。

微立体光刻、微激光烧结、双光子聚合这三种技术代表着未来微纳3d打印的发展趋势，可以为一些新材料、超材料的结构制造提供新的方法，扩大功能性材料的运用和发展; 而熔融沉积、直写成型、片材层压也将在之前基础上得到功能性的补充，获得更高的成型精度。

但是当前微纳3d打印还存在着一些问题需要进一步的探索和研究：

1) 成本较高，效率低。尤其是一些生物打印机的单台售价就在10万以上，工业级的激光烧结和熔融沉积机型也在几十万左右。尽管精度和成型质量较高，但是单件制作时间较长，还达不到批量化生产的水平。

2) 材料依赖性高。尽管可供打印的材料范围很广，但是特定机型对应的材料却很有限，可供打印的功能性材料还有待开发。

3) 复合材料的微纳米打印。现有的能够同时实现微纳米尺度和多种复合材料 结构的打印装置很少，而且打印的材料数量很有限，一般都是在5种以下，这也是值得去研究的重要方向。