猶他大學的研究人員開發了一種 3D 列印方法，該方法能夠在一次激光曝光中創建固體微結構，消除了傳統層層疊加列印所留下的弱接縫。這個過程約在 20 秒內完成列印，提供了一種比現有激光技術快得多的替代方案，後者通常需要數小時。研究團隊通過使用納米級的遮罩，使激光光束變形成與所需物體相匹配的全息圖案，實現了這一目標。與逐層構建零件的傳統方法不同，該系統能夠一次性固化列印材料，從而產生無縫結構。
研究人員表示，這種方法有可能提高微型設備的強度和可靠性，同時顯著縮短製造時間。他們還演示了該列印機可以在類似傳送帶的過程中持續生產多個零件。
該研究由猶他大學普賽工程學院電氣與計算機工程系教授 Rajesh Menon 主導，實驗室成員 Dajun Lin 參與其中。傳統的激光基於 3D 列印的方式是逐層構建物體，這樣會在層與層之間留下微觀接縫。這些界面可能會削弱列印零件的結構，或在微流體設備等應用中允許液體滲入。通過在一次曝光中固化整個結構，這種新方法消除了層邊界，並產生了更均勻的零件。
新型 3D 列印技術能顯著提高微型設備的性能
這一列印過程基於光刻技術，該技術廣泛用於製造半導體晶片。與其將光投射到平面表面上，新方法將激光能量導入一種名為 SU-8 的光敏材料的三維體積中。在傳統的光刻中，不透明的遮罩阻擋來自不需要區域的光，以創建二維圖案。將這一概念擴展到三維空間更為困難，因為光在材料中傳播時會發生散射，降低了精確度。為瞭解決這一問題，研究人員設計了一種納米圖案的透鏡，作為全息遮罩。
它位於激光前方，補償光的衍射，並將能量聚焦到最終結構應形成的地方。
Menon 表示：“這個遮罩就像是一個餅幹切模，從厚麵團中壓出複雜的形狀。”他解釋説：“激光同時在內部‘烘烤’麵團，因此生成的形狀在物理上是堅固的。”研究團隊利用這種技術製作了直徑最小為 6 微米的微管陣列，這些結構達到了高達 120:1 的長寬比，同時保持了機械強度。研究人員還在壓縮下測試了列印的微結構，顯示它們能夠通過毛細作用輸送液體。這些結果表明，該方法可能對需要精確微尺度通道的應用（包括微流體系統和先進製造）非常有用。
目前的這種方法產生了研究人員所描述的“擴展 2D”結構。雖然列印物體具有高度、寬度和長度，但目前系統僅允許對兩個維度進行精確控制。該團隊目前正在努力將技術擴展到真正的三維列印，同時保持其速度和精度。研究人員還展示了多種格子設計以及不同形狀的連續生產，顯示該過程可以擴展以實現更快的複雜微型組件製造。這項研究發表於《自然通訊》期刊。