猶他大學突破：全像3D列印技術20秒製造無縫微結構

猶他大學突破：全像3D列印技術20秒製造無縫微結構

美國猶他大學（University of Utah）研究團隊開發出一種創新的3D列印方法，能在單次雷射曝光中製造出完整的固態微結構，徹底消除傳統逐層列印所遺留的接縫弱點。整個列印過程僅需約20秒，與現有雷射技術相比，效率大幅提升——後者往往需要數小時才能完成。

研究團隊透過使用奈米尺度遮罩，將雷射光整形為與目標物體輪廓相符的全像圖案。系統不再逐層堆疊材料，而是一次性使列印材料全部硬化，從而製造出無縫結構。

研究人員表示，這項技術不僅能提升微尺度裝置的強度與可靠性，還能大幅縮短製造時間。團隊也示範了以類似輸送帶的連續生產方式，持續製造多個零件。

本研究由猶他大學Price工程學院電機與電腦工程學系教授Rajesh Menon主導，並與實驗室成員Dajun Lin共同完成。

全像圖案取代逐層堆疊

傳統雷射3D列印以逐層方式構建物件，層與層之間容易形成微觀接縫。這些接縫不僅會削弱零件強度，在微流體裝置等應用場景中，更可能導致液體滲漏。透過單次曝光固化整個結構，新方法消除了這些層界面，製造出更均勻一致的零件。

此列印技術以光刻技術（photolithography）為基礎——這是半導體晶片製造中廣泛應用的工藝。與傳統光刻在平面上投影光線不同，新方法將雷射能量導入一種稱為SU-8的光敏材料三維體積之中。

傳統光刻使用不透明遮罩遮蔽不需要的區域，以產生二維圖案。將此概念延伸至三維空間更具挑戰性，因為光線在穿透材料時會散射，降低成型精度。

為解決這一問題，研究人員設計了一種奈米圖案化透鏡，作為全像遮罩使用。該透鏡置於雷射前方，能補償光線衍射，並將能量精確聚焦於最終結構應形成的位置。

Menon教授以生動的比喻說明原理：「這個遮罩就像餅乾切模，從厚麵團中壓出複雜形狀。雷射同時在麵團內部『烘烤』，使最終成品在物理上更加堅固。」

微尺度列印的重要進展

利用這項技術，團隊成功製造出微管陣列，單根管材直徑最小可達6微米（micrometers）。結構長寬比（aspect ratio）最高可達120:1，同時維持良好的機械強度。

研究人員也對印製的微結構進行壓縮測試，並驗證其可透過毛細作用輸送液體。這些結果顯示，該方法對於需要精確微尺度通道的應用具有重要潛力，包括微流體系統及先進製造領域。

目前，這項技術所產生的是研究人員所稱的「延伸2D」結構——雖然列印物件具有高度、寬度與長度，但系統目前僅能精確控制其中兩個維度。團隊正致力於在保持速度與精度的前提下，將技術延伸至真正的三維列印。

研究人員也展示了多種晶格設計，以及不同形狀的連續生產能力，顯示此工藝有潛力擴展至複雜微尺度元件的快速量產。

本研究成果已發表於國際頂尖學術期刊《自然通訊》（Nature Communications）。

原文來源： 查看原文