提高3D打印微结构附着性的方法与流程

本发明涉及一种用于提高3d打印的微结构的附着性的方法,包括使分析系统的控制器能够执行所述方法的指令的计算机程序产品,以及使用所述方法打印的3d微结构。

背景技术：

1、最早和最广泛采用的增材制造工艺之一称为 3d 立体光刻，通常缩写为 sla。sla是一种使用液体树脂的3d打印，液体树脂采用紫外线激光或光源进行逐层固化或硬化。sla可用于生产高分辨率打印件，并可用于需要精细细节的应用，例如 3d 打印微结构的生产。

2、特定类型的sla打印经由具有光敏树脂层的箔材提供树脂。箔材设置在构建平台的表面上，之后光投射到树脂上，使树脂硬化。一旦树脂硬化，箔材就会被剥离，留下一层硬化的树脂。然后对设置在第一层顶部的附加层重复该过程，形成3d微结构。基于箔材的sla打印的优点是箔材可以在打印过程中方便地移开。这允许进行其他处理步骤，例如清洁、设置电子元件或将导电油墨沉积到打印凹槽中。

3、sla打印通常受益于强的层间附着力，这是由于连续打印层之间的分子粘合，所述连续打印层在粘合表面处没有处于完全固化状态。当通过具有相对高的氧扩散系数的箔材提供树脂时，由于氧抑制和在pdms界面处的最小交联，这阻止了光聚合物结合表面的完全固化和当前层对树脂的附着。

4、因此，已经开发了一种箔涂覆方法，其需要使用具有相对低的氧扩散系数的箔材，优选地，具有一定程度的光学透明度的柔性箔材。

5、使用具有相对低的氧扩散系数的箔材的缺点是在箔界面处发生高度固化，导致连续打印层之间的附着性降低和对箔材的强附着性。这对于3d打印的微流控器件和微电子器件中频繁使用的微结构（例如微柱和微壁）可能是特别成问题的，导致当将箔材从固化树脂上剥离时，微结构破坏的普遍性增加。

6、本发明旨在抵消上述缺点，优选地同时保留优点。更具体地，本发明旨在提供在连续层之间具有改进的附着性的箔涂覆的3d打印。

技术实现思路

1、为此，本发明提供了一种用于打印3d微结构的方法，特别是根据权利要求1所述的方法。该方法包括以下步骤：提供构建平台和被布置成朝向构建平台的表面发射光的光源，形成第一层和第二层。构建平台和光源可以单独提供或作为现有3d打印机设置的一部分提供。光源被布置成使得所提供的树脂一旦暴露于光就实现有效固化。换句话说，可以根据所使用的树脂来改变光源。构建平台可以是平坦的桌子，或者布置成例如在垂直于地面的方向（z方向）上移动的平台。这可以促进3d微结构的打印，例如通过一旦提供了层就向下移动构建平台，使得后续层可以在相对于地面的相同相对高度处提供。构建平台还可以被致动以在平行于地面的平面（x-y平面）中移动，以便于将光源瞄准相关位置。可替代地或另外地，光可以在x-y平面和/或z方向上平移。

2、形成第一层包括提供透明箔材和未固化树脂的子步骤，其中，未固化树脂设置在箔材的表面上。透明箔材应理解为具有相对高的透光率的箔材，优选地具有一定程度的光学透明度的柔性箔材。不具有如此高的透光率的箔材可能会阻挡过多的光，从而阻碍树脂的固化。未固化树脂设置在箔材上，并且可以是可以通过经由光的辐射固化的任何材料。未固化树脂应粘附到箔材上并且具有足够的粘性，使得在打印3d微结构期间预期使用箔材期间其不会相对于箔材移动。

3、下一个子步骤是将来自光源的光以第一预定图案投射到透明箔材上，从而根据预定图案部分固化未固化树脂。这样的预定图案是使树脂部分固化的图案，即，根据3d微结构的设计，在相应层中仅固化所有树脂的一部分。将箔材从部分固化的树脂上剥离，从而形成第一层。第一层仅部分固化，并且在第二层设置在第一层的顶部之前未固化。液体树脂，即第一层中的未固化树脂，由于树脂的高粘度，并且可能由于固化树脂作用在未固化树脂上而引起的毛细管力而残留。

4、根据本发明的第一预定图案的示例是固化第一层的图案，除了至少一个预定斑点，优选多个斑点。这些斑点在填充有未固化树脂的第一层内形成孔或空腔。由于孔壁之间的毛细力和树脂的高粘度，未固化的树脂将保留在这些空腔中。优选地，空腔具有小于1mm的最大深度。

5、形成第二层包括提供透明箔材和未固化树脂的子步骤，其中，未固化树脂设置在箔材的表面上。优选地，透明箔材和未固化树脂与用于第一层的材料相同。这可以改善第一层和第二层之间的附着性。下一个子步骤是将来自光源的光以第二预定图案投射到透明箔材上，从而进一步固化形成第一层的部分固化树脂，并由此根据第二图案至少部分固化设置在箔材表面上的未固化树脂。将箔材从部分固化的树脂上剥离，从而形成第二层。在固化期间，利用光和第二预定图案，不仅第二层的未固化树脂被固化，而且第一层的剩余未固化树脂的一部分也被固化。这样做增加了层间交联的表面积和机械强度，同时还显著增加了层间交联的潜在数量（例如，第一层和第二层之间的交联）。

6、第二预定图案可以是部分固化第二层的图案，除了至少一个空腔，优选多个空腔。在优选实施例中，第二层的空腔在z方向（即垂直于构建表面的方向）上不与第一层中的空腔对准。使第二层中的空腔相对于第一层中的空腔在x-y平面中偏移，可以促进第一层中的空腔的固化。

7、第二预定图案可以布置成固化第一层的未固化树脂。因此，第二预定图案可以被布置成使得第一层中所有剩余的未固化树脂被固化。

8、第一预定图案可以允许通过投射的光来固化第一层，使得3d微结构的周边被固化，并且允许第一层的部分保持未固化。

9、形成第一层还可以包括将光源的光以第三预定图案投射到透明箔材上的子步骤。结果，部分固化树脂按照第三预定图案被进一步部分固化，使得部分固化树脂的中心被固化。另外，在形成第二层的过程中，配置第二预定图案以固化第一层的未固化树脂。使用三个不同的预定照明图案在三个步骤中固化第一层可能是有利的，因为它可以防止第二层的过度固化。在本发明的上下文中，过固化应理解为使树脂暴露于过多的光，导致光在给定层内散射。这可能导致投影图案在x-y平面中的不期望的生长并使树脂变硬。树脂可能变得过固化，显著降低固化树脂的机械性能。

10、第二预定图案可以是第一预定图案的负片。例如，第一预定图案中未暴露于光的部分是第二预定图案中仅有的暴露于光的部分。

11、第一层和/或第二层可以具有100μm或更小的高度。使用相对较薄的层打印3d微结构可以在成形微结构的尺寸方面给出更高的控制。由于3d微结构的总高度取决于所使用的层数，因此使用相对厚的层限制了微结构高度的可能性。

12、提供第一预定图案，使得在将箔材从部分固化的树脂上剥离之后，第一层的1%至99%被固化，优选地，15%至85%被固化，甚至更优选地，25%至75%被固化。

13、通过仅对构成第一层的未固化树脂的一部分进行辐射，从而在所述第一层中提供未固化区域并由此形成腔体（凹腔），是为了促进层之间的粘附性能。当箔材从最近提供的层的树脂上剥离时，这可能有利于防止3d微结构的断裂。因此，显而易见的是，应提供足够的空腔以便提供足够的粘附性能。另一方面，提供过多的空腔可能会降低3d微结构的机械和结构特性，并且可能阻碍树脂的固化。通常，可以说，当使用将固化成相对坚硬的聚合物的树脂时，需要较少的附着空腔。附着空腔在剥离方向上相对于微结构的边缘的位置也可能是重要的。微结构可能特别容易在边缘处断裂，由于所述边缘处的高弯矩，附着空腔相对靠近边缘设置可能是重要的。这对于处于固化状态的刚性较小的光聚合物可能特别重要，因为它们可以在小的长度尺度上显著变形。

14、数字滤波器被布置成提供第一预定图案、第二预定图案和/或第三预定图案。使用数字滤波器使得能够容易且准确地设计各种预定图案。这种数字滤波器可以通过激活光源的特定像素来提供。当在预定图案之间切换时，可以激活光源的不同像素集合。因此，与阻止来自光源的所有光通过的物理滤波器相比，使用数字滤波器还可以大大提高生产速度。

15、在本发明的第二方面，提供了一种3d微结构，优选地，根据本发明的第一方面打印的3d微结构。3d微结构包括从3d微结构的表面向外延伸的突起。突起具有100μm或更小的高度。3d微结构可以是微流控器件和/或微电子器件，两者通常具有亚100微米范围内的微通道。特别地，3d微流控器件受益于根据本发明的第一方面的打印。对于微流控器件，器件操作期间的流动相关压力是器件故障的常见来源。形成微通道的壁可以相对薄弱地附着到相邻层，一旦微通道在操作期间被加压，这可能导致流体泄漏。由于所公开的方法，相邻层之间改善的粘附性能大大降低了由于相邻层之间的弱附着性而导致的失效的机会。

16、在本发明的第三方面，提供了一种包括指令的计算机程序产品，所述指令在加载到与3d打印机系统相关联的分析系统的存储器中时，使得分析系统的控制器能够执行根据本发明的第一方面的方法。

17、本发明的其他有利方面在说明书和所附权利要求书中阐述。

18、可以从上下文中分离出以上段落和句子中描述的技术特征，并且可以组合来自不同段落和句子的分离出的技术特征。本文在本说明书中具体公开了此类组合。

19、将基于附图中所示的示例性实施例进一步阐明本发明。示例性实施例以本发明的非限制性说明的方式给出。