供稿人：齐晨云、连芩 供稿单位：西安交通大学精密微纳制造技术全国重点实验室 发布日期：2025-03-01
还原光聚合（VPP）技术因其精细的分辨率、适应性和快速原型制作能力在微流控芯片制造等精密微加工应用领域备受推崇。然而，紫外线能量穿透导致的树脂过固化难题给微通道等精密结构打印带来了巨大障碍。解决还原光聚合打印过程中的过固化问题有助于实现结构的高精度制造，同时也可以为结构后处理形性控制提供保障。
都柏林大学Nan Zhang[1]等通过研究树脂特性与过固化之间的复杂关系解决了微通道打印过程中的过固化难题。首先，该团设计了支柱结构，通过对每种固化厚度下支柱结构的测量与数据曲线拟合确定了透明树脂打印的打印参数，如图1所示，确定了最佳打印参数后，利用确定的参数打印出闭合内联微流控芯片。根据光固化数学模型，持续的能量照射会促使微通道内的树脂逐渐固化，从而导致过度固化。因此，为了更好地避免微结构形成过固化的打印件，减少过固化对微流控芯片印刷的影响，该团队通过改变通道顶部厚度的方法，研究了不同通道顶部厚度对打印件过固化的影响。
图1 固化性能测试模型与拟合曲线
图2 不同通道顶部厚度对打印件过固化的影响
随着顶部厚度增加(b)~(i)，紫外光穿透减少，过固化逐渐减弱
根据对图2中通道截面分析，打印后的微流控芯片通道过固化现象完全偏离了紫外线能量穿透模型的预测。基于此现象，该团队采用COMSOL仿真研究实际的光固化打印过程如图3所示。分析表明，在打印过程中，离型膜与固化结构表面之间的粘附力促使树脂在封闭式微流控芯片的内部通道中定向流动。此外，通道内壁上不均匀的树脂挤出会沉淀出不规则的过固化表现，导致“梯形截面”。实验和模拟结果表明，不同粘度和表面粗糙度的树脂会表现出不同的过固化行为，从而影响最终通道的打印精度。
图3 （a）离型膜与打印件的剥离过程及对应的树脂流速变化；（b）不同树脂粘度下微通道内的树脂流速；（c）不同树脂分离位置下微通道内树脂流速
该研究结合实际的光固化打印过程和COMSOL的FSI模拟模型，发现树脂粘度和固化结构的表面粗糙度显著影响微通道内的树脂流速和压力，从而影响固化后的截面完整性，随后，使用五种不同的树脂打印封闭的微通道结构，并观察得到的微通道横截面。结果证实，粘度和表面粗糙度较低的树脂可以得到梯形截面，而粘度较高的树脂可以得到理想的矩形形状，这与模拟结论非常吻合。
该研究阐明了控制DLP打印微通道内流体力学和剥离现象的复杂动力学，并强调了树脂性能对解决打印过程过固化问题的影响，有望拓展至其他光固化材料的过固化打印分析，促进高精度复杂内腔、通道等结构制造和更广泛的光固化技术应用。