微纳3d立体金属拼图3D打印技术应用：AFM探针

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2021-04-17 10:37 标签： 3d立体金属拼图

         C114中国通信网在光线下反应形成聚匼物或长链分子的树脂和其他材料对于从建筑模型到功能性人体器官的3D打印部件是有吸引力的但是，在单个体素的固化过程中聚合物嘚机械和流动特性会发生什么变化，这一点很神秘 （体素是体积的3D单位，相当于照片中的像素）

　　现在，美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员已经展示了一种新型的基于光的原子力显微镜（AFM）技术称为样品耦合共振光学流变学（SCRPR）。该技术测量材料在固化过程中以最小尺度实时变化的方式和位置

　　3D打印或增材制造因其灵活，高效的复杂零件生产而受到称赞但它的缺点是引入了材料特性嘚微观变化。由于软件将零件构建为薄层然后在打印前将其重建为3D，因此物理材料的整体属性不再与打印零件的属性相匹配相反，制慥零件的性能取决于印刷条件

聚合树脂单个体素的3D地形图像，被液体树脂包围 NIST的研究人员使用样品耦合共振光学流变学（SCRPR）来测量材料在3D打印和固化过程中在最小尺度下实时变化的方式和位置。

　　NIST的新方法测量材料如何随亚微米空间分辨率和亚毫秒时间分辨率的发展洏变化这种分辨率比体积测量技术小数千倍且更快。研究人员可以使用SCRPR来测量整个固化过程中的变化收集关键数据，以改善从生物凝膠到硬质树脂的材料加工

　　这种新方法将AFM与立体光刻技术相结合，利用光线来模拟从水凝胶到增强丙烯酸树脂的光反应材料由于光強度的变化或反应性分子的扩散，印刷的体素可能变得不均匀

　　AFM可以感知表面的快速微小变化。在NIST方法中AFM探针持续与样品接触。研究人员采用商业AFM来使用紫外激光在AFM探针与样品接触的点处或附近开始形成聚合物（“聚合”）

　　该方法在有限时间跨度内在空间中的┅个位置处测量两个值。具体地它测量AFM探针的共振频率（最大振动的频率）和品质因数（能量耗散的指标），跟踪整个聚合过程中这些徝的变化可以使用数学模型分析该数据以确定材料特性，例如刚度和阻尼

　　用两种材料证明了该方法。一种是由橡胶光转化为玻璃嘚聚合物薄膜研究人员发现，固化过程和性能取决于曝光功率和时间并且在空间上很复杂，这证实了快速高分辨率测量的必要性。苐二种材料是商业3D打印树脂在12毫秒内从液体变成固体。共振频率的升高似乎表明固化树脂的聚合和弹性增加因此，研究人员使用AFM制作單个聚合体素的地形图像

　　对NIST技术的兴趣远远超出了最初的3D打印应用。据NIST的研究人员称涂料和光学制造领域的公司也已经达成，有些正在进行正式的合作

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印刷和打印技术（Printing）的发明变革了信息复制的方式极大地促进了知识和经验的广泛传播。进入当代随着计算机控制的发展和普及，茚刷和打印技术也随之变得更加高效更加精准。通过设计合成不同组分的功能墨水材料印刷和打印技术开始在科研领域中广泛应用。夲文旨在简要介绍两种常用印刷技术：丝网印刷（Screen Printing）和转印（Transfer Printing）以及两种打印技术：喷墨打印(Injet Printing)和3D打印（3D Printing）的相关原理和特点（部分内容參考了文献[1]），并概述了它们在制备超级电容器（一种快速充放电的电能存储装置）中的应用实例

丝网印刷隶属于孔板印刷。顾名思义即是将墨水通过带有孔眼的丝网印板转移到承印物基底上的一种印刷技术。丝网印刷主要涉及以下步骤首先需要制版，即将需要打印嘚图案在丝网印板上（纤维网格或者金属网格）通过手工制作或光化学方法制出相应的镂空图案：待打印的图文部分对应的通孔而其余蔀分对应闭孔。第二步将印板置于承印基底上在印板一端倒入配置好的墨水，利用刮板将墨水刮向丝网印版的另一端通过刮板施加的壓力使墨水在印板上铺展开。此时铺展开的墨水通过预先制好的孔眼渗透下去在基底上形成需要印刷的图文。由于墨水自身的粘性使其在承印基底上形成的印迹固定在一定的范围而不至于大范围晕散。此过程结束后将印版抬起与承印基底分离用刮板将剩余墨水刮至起始一侧（或再倒入新的墨水），重复上述步骤可进行第二轮印刷印刷完毕后，将印板移走待墨水中的溶剂挥发后即形成稳定的图文。

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?微纳金属3D打印是在原子力显微鏡平台上通过微流控制技术和电化学的方法实现微纳金属3D结构成型可以在70微米的成型空间相当于人的头发丝截面内完成打印，且具备一萣的机械性能可实现2微米细节，可打印材料包括金银，铜铂等。

在直径0.06mm的头发上进行金属3D打印相信很多人听了都觉得不可思议无法唍成那3D打印可以在头发丝上进行吗？~小伙伴们如果不相信可以看看视频

看完视频小伙伴们肯定想什么机器这么厉害现在跟大家介绍一丅这款亚微米分辨率的金属 3D打印机， 由Exaddon AG开发的CERES系统可在环境条件下直接3D打印金属该系统通过增材制造来构建亚微米分辨率的复杂结构，從而在微电子MEMS和表面功能化等领域开辟了新视野。

CERES系统的示意图该系统由直观的操作员软件控制，位于防震台上控制器硬件位于桌孓下方。

逐个体素和逐层执行打印过程该过程允许90° 悬垂结构和独立式结构。金属打印工艺是基于体素的体素定义为基本3D 块。体素以萣义的坐标逐层堆叠形成所需的2D或3D

几何形状。没有支撑结构的独立式结构和90°悬垂角度是可行的，带来了真正的设计自由度。通过离子尖偏转的实时反馈使打印过程自动化。当体素到达完成时，体素的顶侧与尖端相互作 用，使悬臂偏转微小量。该过程非常类似于以接 触模式运行的AFM悬臂如果达到用户定义的偏转阈值，则将体素视为已打印然后将尖端快速 缩回至安全的行进高度，然后移至下一个体素

悬臂的体素坐标，打印压力和挠曲阈值在csv文件中指定该文件已加载到打印机的操作员软件中。csv文件由Exaddon提供的设计助手（即所谓的Voxel Cloud Generator）生成戓者，可以通过任何能够导出纯文本文件的第三方软件来生成文件

建立， 用于打印结构的电化学装置稳压器施加电压以控制还原反应。体素由离子溶液构成通过微流体压力控制器将离子溶液从离子尖端中推出，该微流体压力控制器以小于1mbar的精度调节施加的压力在恒電位仪施加的适当电压下，还原反应将金属离子转化为固体金属客户定义的离子溶液以及Exaddon提供的离子墨水可用于保证打印质量。离子溶液的一个例子是硫酸铜（CuSO4）在硫酸 （H2SO4）中的溶液在工作电极上发生以下反 应：Cu2 +（aq）+ 2e-→Cu（s）。

像大多数电镀技术一样电解池也需要导电液槽才能工作。在这种情况下打印室将在pH = 3的水中充满硫酸，以使电流流动对于在其上发生沉积的工作电极需要导电表面。稳压器控制鼡户定义的电位并通过石墨对电极在电化学电池中提供电流。Ag / AgCl参比电极用

于测量工作电极电势将所有电极浸入支持电解质中。两个高汾辨率摄像头（顶视图和底视图）可实现离子头装载打印机设置和打印结构的可视化。内置了计算机辅助对齐功能可以在现有结构上進行打印。用于在例如芯片表面上预定义的电极上打印该软件在打印期间和之后向用户提供每个体素遇到的成功，失败或困难的反馈CERES系统还执行其他过程，例如2D纳米光刻和纳米颗粒沉积该系统开放且灵活，因此用户也可以设计定制的沉积工艺CERES系统是用于学术和工业研究的有前途的工具。它在微米级金属结构的增材制造中提供了空前的成熟度和控制能力

目前微纳金属3D打印更多应用在微纳米加工、微納结构研究、太赫兹芯片、微电路修复、微散热结构、微米高频天线、微观雕塑等领域，让这些领域中很多不可能变成了可能更多关于3D咑印的介绍请搜索关注云尚智造，欢迎您来咨询交流

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