漢陽大學(xué)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(shí)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(guó)漢陽大學(xué)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(jìn)了晶圓處理性能，并有望在軟體機(jī)器人和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域獲得更廣泛的應(yīng)用。
由 Sooheon Kim 和Hongyun So 領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)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(fù)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(huì)在光線集中的地方引發(fā)化學(xué)反應(yīng)，使樹脂固化。然而，由于樹脂的光學(xué)特性以及光在目標(biāo)層之外的散射或透射，相鄰區(qū)域可能會(huì)發(fā)生非預(yù)期的固化（即過度固化），這常常導(dǎo)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(shí)間、光強(qiáng)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(duì)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(duì)稱的CAD模型轉(zhuǎn)化為主動(dòng)的設(shè)計(jì)工具。最終，我們能夠提供一種簡(jiǎn)化且可擴(kuò)展的方法，用于生產(chǎn)具有高重復(fù)性的功能性微結(jié)構(gòu)，無需復(fù)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(cè)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(qiáng)大的可逆粘附性，能夠可靠地舉起各種測(cè)試對(duì)象，包括4英寸和8英寸晶圓模擬物以及重達(dá)165克的重型玻璃盤，且僅需極小的機(jī)械輸入。有限元模擬將標(biāo)準(zhǔn)3D打印結(jié)構(gòu)與過度固化設(shè)計(jì)進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，在負(fù)載條件下，最大馮·米塞斯應(yīng)力降低了高達(dá)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(yīng)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(fù)變形，且性能不會(huì)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(yù)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(cè)試進(jìn)一步驗(yàn)證了粘合表面的堅(jiān)固性。故意的灰塵污染后，粘合強(qiáng)度最初降至接近零，但用異丙醇簡(jiǎn)單清潔后恢復(fù)到原始值的96.78%，證明了在實(shí)際環(huán)境中的可重復(fù)使用性。此外，在9 N的預(yù)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(shè)計(jì)在重復(fù)使用場(chǎng)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(xué)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(jī)器人：功能性微結(jié)構(gòu)平臺(tái)
雖然目前的應(yīng)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(yuǎn)不止于軟體機(jī)器人。通過在DLP打印過程中精準(zhǔn)操控曝光，該工藝能夠在單個(gè)打印步驟中制造出幾何形狀復(fù)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(yīng)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(dòng)調(diào)節(jié)流體流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)用于芯片實(shí)驗(yàn)室診斷或自主化學(xué)處理的智能通道設(shè)計(jì)。
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(xué)植入物或環(huán)境監(jiān)測(cè)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(jī)械地響應(yīng)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(yù)示著，未來，曾經(jīng)被認(rèn)為是印刷缺陷的過度固化現(xiàn)象，可能成為生物醫(yī)學(xué)、可穿戴設(shè)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(xué)與增材制造
仿生設(shè)計(jì)在增材制造設(shè)計(jì)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(fù)制復(fù)雜的自然功能。早在 2021 年，浙江大學(xué)的科學(xué)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(qiáng)的結(jié)構(gòu)，可以為下一代防護(hù)裝備或航空航天部件提供參考。在另一個(gè)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(xué)的科學(xué)家 3D 打印了仿生血管，特征螺旋流動(dòng)模式受到真實(shí)動(dòng)脈的啟發(fā)，為血管移植和再生醫(yī)學(xué)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(gè)不斷發(fā)展的領(lǐng)域，將仿生學(xué)從視覺相似推向功能模擬。
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