Light Adv. Manuf.|自聚焦光聚合增材制造

撰稿：Lance（华中科技大学，博士生）

增材制造（Additive manufacturing）具有按需制造任意复杂三维结构的能力，有望颠覆传统制造模式。根据美国联合包裹服务公司（United Parcel Service）和消费者技术协会（Consumer Technology Association）的预计，增材制造行业的产值将在20世纪20年代初超过210亿美元[1]。光聚合交联在加工精度、按需制造、生物兼容性等方面的技术优势，极大地促进了3D打印应用于微/纳米三维结构的个性化大规模制造。因此，对聚合物光化学和微加工工艺的更深入理解，有助于开发新型加工方案并进一步促进光聚合增材制造的工程化应用。

近期，来自美国麻省理工学院的研究人员在 Light: Advanced Manufacturing 发表了题为“Additive manufacturing of high aspect-ratio structures with self-focusing photopolymerization”的综述文章。

作者回顾了近年来利用光聚合过程中的光自聚焦效应（light self-focusing）制备高深宽比结构的研究进展，讨论了这种特殊光学行为涉及的材料设计、计算建模和工程设计，并介绍了使用自聚焦光聚合制造结构的典型应用。

光自陷和自传播效应

在基于光的增材制造过程中，入射光引发的光化学反应导致单体发生局部光聚合，从而产生折射率的空间局部增加。折射率的变化在已成型波导尖端形成准透镜，使入射光束克服了自然衍射而沿其传播路径自聚焦，如图1所示。这种自聚焦产生了特征性的自传播聚合物波导（Self-propagating polymer waveguides, SPPW），光束可以继续在聚合物波导中无发散地传播。因此，基于SPPW的穿透特性，通过编程控制光在光敏介质（主要是光聚合物）中的自陷和自聚焦，可高通量快速制备在纳米和微米尺度上具有超高深宽比的纤维状结构。

图1 灰度光刻装置示意图和自传播聚合物波导设计
图源：Light: Advanced Manufacturing

▍自传播聚合物波导材料设计

光聚合是一种复杂的光活化化学反应，涉及多功能单体通过共价交联形成三维固体网络。这一过程通常伴随着多种化学和物理变化，影响材料的性能，如杨氏模量、松弛时间和玻璃化转变温度，以及成型结构的几何特征，从而影响实际加工的分辨率。本文综述了为制造SPPW材料而开发和改进的各种材料系统，包括折射率变化光聚合物、光聚合物共混物和掺杂光聚合物系统，并进一步阐明设计聚合物材料以实现SPPW的一般原则和对微观结构控制的光聚合动力学方法。

图2：利用光聚合动力学控制印刷结构的形态
图源：Light: Advanced Manufacturing

▍计算机辅助建模和预测

光聚合材料中的SPPW包含多个表示并发物理现象的模块，因此模拟的整体保真度由每个组件的全面性反映。为此，世界各国的研究人员已开发了许多互补的预测模拟工具，以捕捉SPPW过程中涉及的物理和化学现象，即光聚合动力学、氧抑制、光漂白、扩散、热力学和光束传播。尽管这些预测性数值模型有力地捕捉了SPPW中普遍存在的一部分物理和化学现象，但往往忽略了其他重要的物理现象，存在一些关键限制。本文综述了构成SPPW过程的化学反应动力学、光场和波传播的计算模型，并介绍了化学物理建模的最新进展。

图3：光聚合物中的自陷光束模拟
图源：Light: Advanced Manufacturing

一维暴露阈值模型，如Beer-Lambert定律，其中光强随深度呈指数下降，忽略了如活性物质的氧抑制和扩散的作用。其他模型过于简化了反应动力学，只考虑了单体的相对转化，而忽略了其他化学物质的演化。专门用于液体介质中自陷光束的现有模型也忽略了复杂的光化学反应动力学。这些过度简化的模型忽略了重要的中间步骤，从而阻碍了模型精确预测制造零件的形状和性能，特别是在高分辨率区域。因此，将辐射介导光聚合的最新进展与捕获自陷和自聚焦的模型结合起来，用于在光聚合物介质中传播光束，有望建立一个完整的数值仿真模型。

图4：多物理场SPPW模型的分析流程图
图源：Light: Advanced Manufacturing

▍高深宽比结构的应用案例

本文进一步讨论了SPPW在轻质结构、能量吸收、热交换器和仿生微结构等方向的应用案例和前景。利用光在光敏介质中的自陷和自传播，开发基于自聚焦的无掩模和数字化掩模光刻的新方法可以实现更多样化和复杂的三维结构的制造，可用于以前所未有的通量制备纳米和微米尺度的纤维状结构。

例如，SPPW能够制造具有细胞结构的材料，包括纹理表面和交织的3D微晶格，可以用作功能涂层，如液体排斥表面和光导结构。此类3D微晶格可调节这些材料的机械性能和密度，并可影响薄膜、涂层、印刷、牙科、光学和电子等领域的广泛其他性能，如机械、热、光子和生物性能。

图4：三维聚合物晶格结构的力学和热能应用
图源：Light: Advanced Manufacturing

| 参考材料 |

1. Wohlers, T. T. & Caffrey, T. 3D Printing and Additive Manufacturing State of the Industry Annual Worldwide Progress Report. (Wohlers Associates, 2014).

| 论文信息 |

Yang et al. Light: Advanced Manufacturing (2022)3:32

https://doi.org/10.37188/lam.2022.032

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