AOM: 超高速3D打印個性化定制光學器件

3D打印技術由于在復雜三維結構制造、快速個性化定制等方面的獨特優勢，近年來受到國內外學者的高度關注。然而在光學領域，由于3D打印技術逐層堆疊所導致的層間“臺階”狀粗糙表面，所制造的器件表面粗糙度遠高于可見光波長（400-700 nm），基本無法應用于光學成像。使用納米級分辨率的飛秒3D打印技術雖然可以滿足打印精度的要求，但極大的犧牲了打印速度。制造毫米尺寸的光學透鏡往往需要數天甚至數周的時間才能完成，難以滿足光學器件高速個性化定制的需求。

針對上述問題，美國西北大學孫誠教授團隊近日提出了一種基于微連續液態界面成形技術（Micro-continuous Liquid Interface Production, μCLIP）的光學透鏡超高速3D打印方法。孫教授表示：“雖然我們之前利用面投影微立體光刻技術（PμSL），結合了灰度曝光以及彎液面表面修飾技術，實現了表面粗糙度小于7 nm的光學透鏡的增材制造。盡管我們將光學透鏡3D打印的速度提升了四個量級（DOI: 10.1002/adma.201705683），但3D打印毫米尺寸的光學透鏡仍需花費數小時的時間。從實際應用的角度，我們認為透鏡的制造速度仍有很大的提升空間?！?/p>

孫教授團隊認為，在面投影微立體光刻3D打印透鏡過程中，為保證打印精度與表面質量，往往選擇了5微米或者更薄的打印層。這樣大于90%打印時間被消耗在分層打印之間樣品臺的往復運動與等待液態光敏樹脂流平的過程。而微連續液態界面（μCLIP）成形技術，可以完全避免樣品臺的往復運動以及流平等待過程，從而極大提升3D打印效率。然而在初步試驗中，團隊發現連續液態界面成形技術中所廣泛使用的聚四氟乙烯（Teflon）膜表面粗糙、且存在不規則微尺度孔洞，這些表面缺陷將導致連續液態界面成形技術中固化“死區”內氧氣分布不均勻，并最終導致所制造的器件表面呈現錐狀粗糙微結構，無法滿足光學器件表面光潔度要求。

為解決該問題，團隊使用旋轉涂膜法制備了具有光滑表面的高透氧率聚二甲基矽氧烷（PDMS）薄膜，以替代微連續液態界面成形系統中的Teflon薄膜。實驗表明，所制備的PDMS薄膜與傳統Teflon薄膜相比，兩者透氧率與透光率近似，但PDMS薄膜表面質量顯著高于Teflon薄膜。團隊使用PDMS薄膜對所設計的非球面透鏡進行了3D打印試驗，結合灰度曝光以及彎液面表面修飾技術，所制造的光學透鏡表面粗糙度僅為13.7 nm，具備3.10 微米的成像分辨力，完全滿足光學成像的應用需求。

值得注意的是，使用微連續液態界面成形方法進行光學透鏡打印，速度達到4.85×103 mm3 h?1，較團隊之前所使用的面投影微立體光刻法提升了近200倍。與飛秒3D打印技術相比，速度提高了六個量級。打印3 mm高的光學透鏡僅需約2分鐘時間。孫教授表示：“微連續液態界面成形技術顯著提升了光學器件3D打印的速度，使快速個性化定制光學器件真正成為可能，該技術在自由曲面透鏡，生物醫用內窺鏡，個性化定制隱形眼鏡與人工晶狀體等領域也具有廣闊的應用前景?！?/p>

上述研究近期發表于期刊Advanced Optical Materials（DOI: 10.1002/adom.201901646），論文通訊作者為美國西北大學孫誠教授，博士生邵廣斌（美國西北大學、哈爾濱工業大學），海日罕（美國西北大學）為論文共同第一作者。