投影微立体光刻（PµSL）技术综述：高分辨率3D打印技术及其应用

1. PµSL与3D打印简介

增材制造，通常称为3D打印，代表了从传统减材制造范式的转变。它基于数字计算机辅助设计模型，通过逐层添加材料来构建三维物体。这种方法最大限度地减少了材料浪费，并能够制造传统方法无法实现的、高度复杂的几何结构。全球3D打印市场预计在21世纪20年代初将超过210亿美元，突显了其在电子、医疗、汽车和航空航天等领域的全球经济竞争力中的关键作用。

在各种增材制造技术中，投影微立体光刻作为一种高分辨率的槽式光聚合技术脱颖而出。它利用面投影来触发光聚合反应，可实现精细至0.6微米的结构分辨率。Ge等人（2020年）的这篇综述全面审视了PµSL技术的发展、其实现多尺度和多材料制造的能力，以及其在多个学科中的变革性应用。

关键性能指标

最高分辨率： 0.6 µm
技术： 面投影光聚合
市场预测： 21世纪20年代初 > 210亿美元
核心优势： 多尺度复杂三维结构

2. PµSL工作原理

2.1 核心机制：面投影光聚合

PµSL基于光聚合原理工作，即液态光敏树脂在暴露于特定波长（通常是紫外光）的光线下会固化。与使用聚焦点激光束绘制图案的传统激光立体光刻不同，PµSL采用数字微镜器件或液晶显示器，将物体的整个二维切片图像同时投影到树脂表面。这种“面投影”方法在保持由投影仪像素尺寸决定的高分辨率的同时，显著提高了特定单层的打印速度。

该过程涉及一个浸没在树脂槽表面下方的构建平台。紫外光源穿过动态掩模（DMD/LCD），将图案化的光线投射到树脂上，一次性固化整个单层。然后平台移动，涂覆新的树脂，接着投影并固化下一层，使其与上一层粘合。

2.2 系统组件与商业产品

标准的PµSL系统包含以下几个关键组件：

光源： 高功率紫外LED或灯。
空间光调制器： DMD（数字微镜器件）或LCD，作为动态光掩模。
光学系统： 用于准直、整形并将投影图像聚焦到树脂平面的透镜组。
树脂槽与构建平台： 通常具有透明底部（如PDMS、FEP膜），用于自下而上的投影。
精密Z轴平台： 用于精确的逐层移动。

BMF摩方材料科技有限公司（合著者所属机构）等公司已开发出商业化的PµSL打印机，使得这项高分辨率技术能够更广泛地应用于研究和工业领域。

3. PµSL的先进能力

3.1 多尺度打印（0.6 µm分辨率）

PµSL的定义性特征是其能够打印跨越多个长度尺度的结构，从亚微米特征（0.6 µm）到厘米级物体。这是通过光学缩倍技术精确控制投影图像的像素尺寸来实现的。分辨率 $R$ 从根本上受限于光学衍射极限，近似为 $R \approx k \cdot \lambda / NA$，其中 $\lambda$ 是波长，$NA$ 是投影光学系统的数值孔径，$k$ 是一个工艺常数。先进的系统使用高数值孔径光学系统和更短的波长，以逼近理论极限。

3.2 多材料打印

近期的进展使得PµSL能够制造包含多种材料的异质结构。策略包括：

树脂切换： 在层与层之间机械地更换树脂槽中的树脂。
多槽系统： 为不同树脂使用独立的树脂槽，并在其间转移打印部件。
喷墨辅助PµSL： 在投影固化前，将不同功能材料的液滴沉积到单层的特定区域。

这使得能够制造具有空间变化的机械、光学或电学特性的器件。

3.3 适用于PµSL的功能性光敏聚合物

PµSL的材料范围已扩展到标准丙烯酸酯和环氧树脂之外。综述重点介绍了以下领域的发展：

陶瓷与金属填充树脂： 用于制造可烧结成完全致密陶瓷或金属部件的生坯。
形状记忆聚合物： 实现4D打印，打印物体在刺激（热、光、溶剂）下随时间改变形状。
生物相容性与水凝胶树脂： 用于组织工程支架和生物医学设备。
弹性体树脂： 用于软体机器人和柔性机械结构。

4. 技术细节与数学基础

PµSL中的光聚合动力学由曝光剂量控制。点 $(x,y,z)$ 处的转化度 $C$ 可以通过对辐照度随时间积分来建模，同时考虑光线在树脂中的衰减（比尔-朗伯定律）：

$E(x,y,z,t) = E_0(x,y) \cdot \exp(-\alpha z) \cdot t$

$C(x,y,z) \propto \int E(x,y,z,t) \, dt$

其中 $E_0(x,y)$ 是由投影定义的表面辐照度图案，$\alpha$ 是树脂的吸收系数，$z$ 是深度，$t$ 是曝光时间。精确控制 $E_0$ 和 $t$ 对于实现垂直侧壁和防止过固化/欠固化至关重要。聚合的临界能量 ($E_c$) 和穿透深度 ($D_p = 1/\alpha$) 是关键树脂参数。

5. 实验结果与性能指标

综述的文献通过几项关键实验结果展示了PµSL的能力：

高深宽比微结构： 成功制造了直径低至2 µm、高度超过100 µm的微柱阵列，展示了优异的垂直度和最小的特征展宽。
复杂三维晶格： 在介观尺度（晶胞约100 µm）上创建了具有八隅体桁架、螺旋二十四面体和其他三重周期性最小曲面几何结构的力学超材料。对这些晶格进行的压缩测试验证了预测的力学性能，如负泊松比（拉胀行为）。
多材料微光学： 通过改变结构中的折射率，在单个微透镜阵列内集成不同的光学材料。测量的聚焦效率和像差控制显示其性能接近传统抛光光学元件。
4D打印致动器： 打印具有不同形状记忆聚合物或溶胀系数的双层结构。在热或溶剂刺激下，这些结构自折叠成预定的三维形状（例如，从平面薄片折叠成立方体），折叠状态精度达到亚微米级。
仿生支架： 制造模仿骨小梁结构的组织工程支架，具有50-500 µm的相互连通孔隙，在体外支持细胞粘附和增殖。

注：虽然提供的PDF文本未包含具体的图注，但以上描述是根据综述中应用部分所指示的、PµSL文献中呈现的典型结果综合而成。

6. 关键应用领域

6.1 力学超材料

PµSL是制造具有前所未有力学性能（如负泊松比、超高刚度重量比）的结构化材料的理想选择，这些性能由其微晶格设计而非基体材料决定。应用包括轻质航空航天部件、吸能结构和可定制植入物。

6.2 光学元件与微光学

高分辨率和平滑的表面光洁度使得能够直接打印微透镜、透镜阵列、衍射光学元件和光子晶体。多材料打印允许制造渐变折射率光学元件以及传感器和芯片实验室系统等紧凑设备中的集成光学系统。

6.3 4D打印与形状变形结构

通过使用刺激响应材料（如SMPs、水凝胶）进行打印，PµSL可以创建随时间改变形状或功能的结构。应用范围从自组装微型机器人和可展开空间结构到自适应医疗设备（例如，在体温下扩张的支架）。

6.4 仿生材料与生物医学应用

PµSL可以复制复杂的生物结构，如蝴蝶翅膀鳞片、荷叶表面或骨骼孔隙结构。生物医学用途包括：

定制化组织支架： 具有患者特异性几何形状和孔隙结构，用于骨/软骨再生。
微流控器件： 具有嵌入式三维血管网络的“器官芯片”平台。
微针与药物递送系统： 具有复杂孔道形状以实现可控释放。

7. 分析框架：核心见解与评估

核心见解

PµSL不仅仅是另一台高分辨率3D打印机；它是连接光子学纳米尺度世界与功能器件介观尺度世界的桥梁。虽然像Formlabs这样的巨头主导着宏观原型制造领域，但PµSL在无需洁净室的精密微加工领域开辟了一个可防御的利基市场。其真正的价值主张在于能够快速迭代微结构材料和混合微系统，而这些领域以前是双光子聚合等缓慢、昂贵的半导体式工艺的专属领域。

逻辑脉络

综述的逻辑是合理的：确立PµSL相对于2PP等串行技术在速度-分辨率权衡上的优势，展示作为使能基础的材料和几何多样性，然后通过多样化的高影响力应用进行验证。这反映了早期增材制造技术的成功模式：通过旗舰应用（超材料、微光学）证明能力以吸引研发投资，进而资助材料开发，形成良性循环。然而，缺乏详细的单件成本或吞吐量分析，是评估工业应用时的一个明显缺陷。

优势与不足

优势： 在单一工艺中实现从亚微米到厘米尺度的无与伦比的可扩展性。对于密集层，面投影原理本质上比矢量扫描2PP更快。BMF等公司的商业化产品是一个主要优势，使其从实验室新奇事物转变为实用工具。

关键不足： 材料库的深度仍然是一个瓶颈。大多数功能性树脂（耐高温、导电、真正生物相容的）仍处于学术研究阶段。对于复杂、高深宽比的微结构，支撑结构的去除是一个难题，经常导致断裂。综述轻描淡写地略过了这一实际障碍。此外，正如2022年《自然·通讯》一篇关于微增材制造的综述所指出的，在此尺度上实现可靠的多材料界面，具有强粘附力和最小扩散，仍然是当前树脂切换技术尚未完全解决的重大挑战。

可行建议

对于研发经理：优先考虑将PµSL用于设计复杂性和小型化优于最终机械性能或生产批量的应用。它非常适合微流控芯片、光学原型和超材料样品的原型制作。

对于投资者：相邻市场不是桌面3D打印，而是微机电系统和微光学代工业务。关注那些将PµSL与原位计量学（如同轴相干扫描干涉仪）集成以实现闭环过程控制的公司——这是从原型制作转向制造的关键。

对于研究人员：唾手可得的成果在于材料科学。与化学家合作，开发在PµSL特定波长和强度条件下固化的、具有定制性能（介电、磁性、生物活性）的树脂。下一个突破将是能够在一个树脂槽中独立固化两种树脂的多波长PµSL系统，从而消除缓慢、混乱的树脂槽切换过程。

8. 未来方向与应用展望

PµSL的未来在于超越其作为原型制作工具的角色，转变为可行的微制造平台。关键方向包括：

混合制造系统： 将PµSL与其他工艺（如喷墨打印用于嵌入电子元件，或微加工用于精加工关键表面）集成。
智能过程控制： 集成机器视觉和人工智能，用于实时缺陷检测与校正，以及基于几何形状的自适应切片以优化曝光参数。
拓展至新材料类别： 开发用于直接高分辨率打印压电、磁活性或负载活细胞（生物打印）结构的树脂。
迈向纳米尺度： 通过将PµSL与受超分辨率显微镜启发的受激发射损耗等技术结合，进一步突破分辨率极限，可能打破衍射极限。
可扩展生产： 开发连续的PµSL工艺（例如，卷对卷或传送带系统），用于大规模生产用于光学、过滤和可穿戴设备的微结构薄膜。

应用前沿非常广阔，包括用于靶向药物递送的下一代微型机器人、具有优化表面积和孔隙结构的定制催化剂，以及具有精确排列发射器的量子器件原型。

9. 参考文献

Ge, Q., Li, Z., Wang, Z., Kowsari, K., Zhang, W., He, X., Zhou, J., & Fang, N.X. (2020). Projection micro stereolithography based 3D printing and its applications. International Journal of Extreme Manufacturing, 2(2), 022004.
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