漢陽大學開發(fā)壁虎仿生軟夾持器，利用過度固化破DLP 3D打印的界限
時間：2025-05-05 15:53 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
2025年5月4日，來自韓國漢陽大學的研究人員開發(fā)了一種新穎的DLP 3D打印方法，利用過度固化技術(shù)制造出仿壁虎的軟體執(zhí)行器。新的DLP工藝以題為“Gecko-inspired soft actuatorsfor wafer handling via overcuring-induced anisotropic microstructures in DLP 3Dprinting”的論文發(fā)表于《微系統(tǒng)與納米工程》（2025年4月），改進了晶圓處理性能，并有望在軟體機器人和生物醫(yī)學領(lǐng)域獲得更廣泛的應用。
由 Sooheon Kim 和Hongyun So 領(lǐng)導的團隊利用通常被視為缺陷的過度固化現(xiàn)象，創(chuàng)建了模仿壁虎腳自然粘附能力的各向異性微結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)無需復雜的光刻技術(shù)即可生成，在粘附和分離過程中表現(xiàn)出可控的方向性，非常適合硅片等精密表面。
△受壁虎啟發(fā)的各向異性粘合劑系統(tǒng)及其通過DLP 3D打印的制造。圖片來自Kim等人，《微系統(tǒng)與納米工程》，2025年
將缺陷轉(zhuǎn)化為特征
在傳統(tǒng)的DLP 3D打印中，物體的每一層都是通過將液態(tài)光聚合物樹脂暴露于圖案化的紫外光下形成的，紫外光會在光線集中的地方引發(fā)化學反應，使樹脂固化。然而，由于樹脂的光學特性以及光在目標層之外的散射或透射，相鄰區(qū)域可能會發(fā)生非預期的固化（即過度固化），這常常導致特征變形或分辨率下降。研究人員并沒有將其視為需要解決的缺陷，而是策略性地接受了這一現(xiàn)象。通過精確調(diào)整曝光時間、光強度和層幾何形狀，他們控制了紫外光穿透的深度和方向，從而使結(jié)構(gòu)的某些部分以非對稱方式固化。
這種受控的過度固化工藝能夠自發(fā)形成傾斜的各向異性微結(jié)構(gòu)，從而將原本對稱的CAD模型轉(zhuǎn)化為主動的設計工具。最終，我們能夠提供一種簡化且可擴展的方法，用于生產(chǎn)具有高重復性的功能性微結(jié)構(gòu)，無需復雜的CAD修改或二次制造工藝。
△樹脂固化過程。圖片來自 Kim 等人，《微系統(tǒng)與納米工程》，2025 年
測試與性能：
采用受控過固化工藝制備的各向異性柱狀物，通過雙模鑄造工藝生產(chǎn)基于PDMS的軟質(zhì)夾持器。這些夾持器在光滑表面上表現(xiàn)出強大的可逆粘附性，能夠可靠地舉起各種測試對象，包括4英寸和8英寸晶圓模擬物以及重達165克的重型玻璃盤，且僅需極小的機械輸入。有限元模擬將標準3D打印結(jié)構(gòu)與過度固化設計進行了比較，結(jié)果表明，在負載條件下，最大馮·米塞斯應力降低了高達18.7%。這表明，過度固化柱狀結(jié)構(gòu)更光滑的表面和連續(xù)的幾何形狀降低了增材制造中通常在層間連接處出現(xiàn)的應力集中。因此，夾具的結(jié)構(gòu)耐久性得到了提升，能夠承受抓取和釋放過程中的反復變形，且性能不會出現(xiàn)顯著下降。
△使用各向異性結(jié)構(gòu)制造軟夾持器的后處理步驟。a 打印包含各向異性柱狀結(jié)構(gòu)的母模；b 第一次澆鑄；c 第二次澆鑄；d 收集預聚物液滴；e 固化的平坦墊表面；f 在施加壓力下固化的傾斜墊表面。圖片來自 Kim 等人，《微系統(tǒng)與納米工程》，2025 年
耐久性測試進一步驗證了粘合表面的堅固性。故意的灰塵污染后，粘合強度最初降至接近零，但用異丙醇簡單清潔后恢復到原始值的96.78%，證明了在實際環(huán)境中的可重復使用性。此外，在9 N的預緊力下，夾持器在連續(xù)十次粘合-分離循環(huán)中保持了穩(wěn)定的性能，凸顯了基于過固化的各向異性設計在重復使用場景中的可靠性。
△制造的壁虎功能表面。a 兩種橫截面積的功能表面照片，尺寸為 24mm×24mm；b 具有平頭和斜頭的功能表面光學顯微鏡圖像；c 側(cè)視圖；d 頂視圖。圖片來自 Kim等人，《微系統(tǒng)與納米工程》，2025 年
超越機器人：功能性微結(jié)構(gòu)平臺
雖然目前的應用主要集中在晶圓處理上，但這種受控過度固化技術(shù)的意義遠不止于軟體機器人。通過在DLP打印過程中精準操控曝光，該工藝能夠在單個打印步驟中制造出幾何形狀復雜且方向性偏置的微結(jié)構(gòu)，無需光刻或后處理。這為微流體領(lǐng)域的全新應用打開了大門，在這些領(lǐng)域中，精確傾斜或收縮的通道可以被動調(diào)節(jié)流體流動，從而實現(xiàn)用于芯片實驗室診斷或自主化學處理的智能通道設計。
在過濾系統(tǒng)中，利用創(chuàng)建梯度孔隙率結(jié)構(gòu)的能力，可以開發(fā)能夠選擇性捕獲顆粒或調(diào)節(jié)流阻的膜，這在生物醫(yī)學植入物或環(huán)境監(jiān)測方面可能有用。同樣，可以通過局部調(diào)整過度固化的深度和方向來創(chuàng)建壓敏閥或自調(diào)節(jié)流量組件，使結(jié)構(gòu)能夠機械地響應內(nèi)部壓力或溫度變化，而無需電子控制系統(tǒng)。這些可能性預示著，未來，曾經(jīng)被認為是印刷缺陷的過度固化現(xiàn)象，可能成為生物醫(yī)學、可穿戴設備和微電子封裝領(lǐng)域功能性微結(jié)構(gòu)工程的基石。
仿生學與增材制造
仿生設計在增材制造設計中得到越來越多的考慮，這使得研究人員能夠通過工程材料復制復雜的自然功能。早在 2021 年，浙江大學的科學家就利用 3D 打印技術(shù)重建了烏賊骨的分層微結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生了重量輕但抗沖擊性強的結(jié)構(gòu)，可以為下一代防護裝備或航空航天部件提供參考。在另一個例子中，研究人員開發(fā)了一種方法，通過模仿蝴蝶翅膀的納米結(jié)構(gòu)來生產(chǎn)更安全、結(jié)構(gòu)上著色的 3D 打印部件，避免使用有毒顏料。最近，哈佛大學的科學家 3D 打印了仿生血管，特征螺旋流動模式受到真實動脈的啟發(fā)，為血管移植和再生醫(yī)學帶來了希望。在 DLP 中使用過度固化來創(chuàng)建模仿壁虎剛毛的各向異性粘合劑表面完全符合這個不斷發(fā)展的領(lǐng)域，將仿生學從視覺相似推向功能模擬。
(責任編輯：admin)
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