双光子聚合 （TPP） 的 3D 打印是一种成熟的制造方法，用于在微米和纳米尺度上实现 3D 聚合物结构。然而，双光子聚合3D打印的一个重要缺点是，打印具有长悬垂特征的3D物体极具挑战性，这严重限制了该技术的应用空间。在这里，我们介绍了一种通过双光子聚合进行3D打印的方法，该方法可以实现具有长悬垂结构的3D物体，而这些物体无法使用传统打印策略进行打印。我们的方法结合了不同的打印方法来实现悬垂结构，包括局部调整的打印块大小以及壳和脚手架以及实心打印模式的混合。因此，无需添加支撑结构即可打印具有长悬垂部件的物体。使用这种方法，我们展示了成功打印二次横截面为 50 μm x 50 μm、长度高达 1000 μm 的悬臂。因此，我们的打印模式通过双光子聚合大大扩展了3D打印的功能和应用空间，并消除了目前对具有长悬垂结构的3D打印物体的设计限制。
划重点（双光子3D打印代工）
在光纤端面亦或其他基底材料上通过双光子3D打印的方式一直是科研工作者研究的关注点，但是由于高精度双光子3D打印的设备极其昂贵，技术也较为前沿，许多科研工作者乏于寻找可靠的，高效率的加工提供商。
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3D打印能够实现高度可定制产品的快速原型制作和制造，同时还能够实现传统制造技术（如注塑成型）无法达到的尺寸复杂性的零件。不同的3D打印技术广泛应用于研究和工业领域，其应用范围涵盖航空航天[1]、建筑[2]和医学[3]等多个领域。最近，由于3D打印在微米和纳米尺度上提供的设计自由度和效率，与传统的微纳加工技术（如表面和整体微加工）相比，精密微纳米3D打印引起了越来越多的兴趣。双光子聚合 （TPP） 的 3D 打印是打印微米和纳米级物体的最成熟技术之一。该技术也称为直接激光写入 （DLW），利用脉冲高能飞秒激光束在 3D 中局部曝光光反应性树脂。由于树脂内部的反应性成分吸收两个或多个光子需要非常高的光子密度，因此该过程只能在飞秒激光束的焦点处进行。这允许在亚微米范围内形成具有非常精细特征的物体。通过双光子聚合的微纳米级 3D 打印已被证明可以实现广泛的令人兴奋的应用，包括光子晶体 [4]、光波导 [5]、微型致动器 [6]、微型机器人 [7]、可生物降解游泳者 [8] 等等 [9]、[10]、[11]。
用于通过双光子聚合制造的3D打印工具，也称为直接激光书写工具，可以从几家商业供应商处获得，例如德国的Nanoscribe GmbH;Microlight3D，法国;UpNano GmbH，奥地利;Multiphoton Optics GmbH，德国;Moji-Nano Technology Ltd.，中国;和立陶宛的Femtika。这些工具广泛用于世界各地的学术和工业实验室。这些直接激光写入工具的典型可实现的最小特征尺寸低至 160 nm，具体取决于所采用的显微镜物镜和飞秒激光焦点的质量。双光子聚合中最常用的打印材料是基于丙烯酸酯或环氧树脂的液态聚合物树脂，最近甚至还开发了玻璃基材料[12]、[13]、[14]。通常，这些材料是针对特定的光学、机械、电气或生物应用量身定制的。
然而，使用标准液体树脂通过双光子聚合进行3D打印的一个重要挑战是打印包含长悬垂结构的物体，例如悬臂[15]。3D打印具有悬垂或自由悬挂结构的物体的问题之所以出现，是因为3D物体模型被切成几层，然后逐层连续打印。由于悬垂结构的前几层打印层很薄且不稳定，因此它们漂浮在液态树脂中，因此很容易由于树脂运动而移位，这可能是由3D打印系统的振动、载物台运动和/或液态树脂内部显微镜物镜的移动引起的。初始打印层的位移通常会导致打印对象具有不一致和严重扭曲的特征[16]。如果要打印的 3D 物体大于将激光束聚焦在聚合物树脂内部的显微镜物镜的视场，则此问题将变得特别灾难性，因此需要将物体的打印拆分为不同的打印块，然后进行打印。在打印过程中使用的显微镜物镜的视场取决于物镜的放大倍率，这决定了3D打印结构的可获得分辨率。例如，25倍显微镜物镜的视场通常直径为400 μm，这导致单个打印块的尺寸可以在不移动载物台的情况下打印，约为285 μm x 285 μm [17]。如果打印对象较大，因此由多个单个打印块组成，则样品台需要在不同块的打印之间移动，这通常会导致树脂中浮动层的随机位移，以及其标称坐标的丢失。出于这个原因，不容易打印出包含悬垂结构的物体，其尺寸超过单个打印块的大小，因此，在3D打印中，通常通过双光子聚合避免具有悬垂结构的物体。如果无法避免长悬垂结构，则可以通过将打印物体沿垂直于承印物表面的轴线对齐的有利方向旋转来减少与此类结构相关的问题，从而在打印过程中不处于悬垂配置[18]。减少与悬垂结构相关的问题的另一种方法是添加支撑结构（支撑），在打印过程中以机械方式固定悬垂结构的位置。然而，在打印后需要手动移除支撑物，对于微米级和纳米级物体，移除支撑物极具挑战性，在许多情况下，实际上是不可能的。在引入支柱等支撑时，支撑的放置必须考虑单个打印块的尺寸，以便能够以双夹紧模式打印悬垂结构，从而避免自由浮动部件[5]，[6]。这种方法允许打印直径为3 μm的180 μm长的双夹紧线[5]。然后可以通过手动移除支架来实现单侧夹紧悬臂，例如，通过使用探针或蚀刻工艺[6]，[16]，[19]。然而，这些打印后步骤非常复杂，很容易对微观和纳米结构造成损坏，从而严重限制了这种方法的能力。在另一个例子中，Iglesias Martínez等人报道了单夹悬臂的打印，其厚度为12 μm，宽度分别为20 μm和40 μm，长度可达110 μm [4]。但是，本报告中没有提到在打印这些结构时是否引入了支撑，以及实际打印质量。一个普遍的问题是，文献中很少报道有关打印方式的细节，例如设计、打印块大小和拼接配置。
在这里，我们展示了一种通过双光子聚合进行3D打印的新型方式，该模式解决了打印具有长悬垂结构的物体时自由浮动层的问题。我们通过用短缝合块打印长悬垂特征来解决这个问题，以避免前几层打印的灾难性移动。这种方法可以对具有大悬垂结构的物体进行微3D打印，而无需采用支撑或后处理步骤，从而大大扩展了双光子聚合微3D打印的应用空间。由于使用这种方法打印完整的3D对象会增加打印时间，我们还详细讨论了如何将大尺寸和小尺寸的打印块以及壳体和脚手架和实心打印模式组合到一个打印作业中，以便使用更耗时的方法仅打印悬垂部分。
本文介绍的结构是用德国Nanoscribe GmbH的3D打印机Photonic Professional GT2制造的。在打印之前，3D CAD模型由随附的软件DeScribe（2.5.5版，Nanoscribe GmbH，德国）进行处理，随后手动编辑打印代码（根据“背景和实验程序”一章）。该工具集的功能代表了其他供应商提供的类似双光子聚合 3D 打印机的功能。对于所有3D打印实验，我们使用了市售的液态光树脂（IP-S，Nanoscribe GmbH，德国）。
这些结构采用25x/NA 0.8物镜（Carl Zeiss AG，德国）以浸入式打印模式打印到氧化铟锡涂层玻璃基板上。打印在振镜扫描模式、连续模式下完成，压电陶瓷稳定时间为 10 ms，振镜加速度为 10 V/s，载物台速度为 200 μm/s，激光功率为 50 mW，扫描速度为 100 mm/s 2 。当采用壳和脚手架打印模式时，切片和影线距离分别为 1 μm 和 0.5 μm，壳轮廓计数为 12，基础切片计数为 2。按照“背景和实验程序”中的讨论进行块拆分，并在相应注明的打印模式（壳和脚手架或实心模式）下打印块。
打印后，在丙二醇甲醚乙酸酯（PGMEA）中显影20 min，在异丙醇（IPA）中显影5 min。显影后，将结构在室温下干燥，并暴露在紫外线泛光下，LED曝光5分钟（12 mW / cm，365 2 nm）以交联所有剩余的内部体积。我们通过SEM成像（FEI Nova 200 Dual Beam，FEI Company Inc.，USA）直观地分析了3D打印物体的完整性和尺寸保真度。为了增加SEM成像对比度，我们使用定制的高真空电子束沉积系统在物体表面涂上金。
在使用商业3D打印工具通过双光子聚合进行微3D打印中（图1a），将待打印物体的3D模型（通常为a.stl文件）导入3D打印软件，该软件自动将3D模型切成一系列垂直于基板表面的z方向平行平面（切片）[20]。然后，这些平行平面中的每一个都被划分为平行线，称为剖面线（剖面线）。剖面线定义了激光焦点扫描以打印 3D 对象的路径。通常，3D打印软件会自动定义两个平行平面之间的距离以及两条剖面线之间的距离。但是，所有距离也可以通过软件界面手动定义或调整。无需物理移动样品台或显微镜物镜即可打印的最大3D物体的尺寸由所选显微镜物镜的可触及视场定义，这取决于物镜的放大倍率。在将样品台移动到新位置（拼接）后，通过将3D物体模型分割成更小的部分（打印块），在后续步骤中彼此相邻打印，仍然可以打印大于显微镜物镜视场的3D物体[21]。通过这种方式，完整的 3D 对象在打印过程中被拼接在一起。为了确保不同的打印块被正确拼接以形成无缝的 3D 对象，相邻打印块的位置需要在其接触边缘处略微重叠，从而产生所谓的拼接线。通常，最好使用更少和更大的打印块来形成给定尺寸的拼接 3D 对象。这是因为更多和更小的打印块的拼接需要更频繁地移动样品台，并导致拼接线数量增加，从而导致 3D 打印物体的表面更粗糙和尺寸保真度降低。此外，更频繁的载物台移动通常会导致打印时间增加。此外，有两种不同的模式可用于打印3D对象，即实体打印模式和壳体和脚手架打印模式[22]。在实体打印模式（Solid）中，通过在对象的整个体积中打印相邻的切片平面来形成3D对象。相比之下，在壳体和脚手架打印模式（S&S）中，3D物体是通过仅打印3D物体的外壳以及支撑壳体的封闭物体体积内的支撑脚手架结构来形成的。在这种情况下，3D物体的打印外壳内的大部分树脂仍然是液态的，必须在激光打印完成后通过紫外光照射固化，并用显影剂对物体进行清洁。Shell & Scaffold 打印模式可以大大减少打印时间，尤其是对于大型物体。壳体和脚手架打印模式的一个缺点是会降低初始打印物体的机械坚固性。因此，在打印具有悬垂特征的 3D 对象时，通常首选“实体”打印模式。
3D打印具有长悬垂结构的物体的传统方法是通过将尺寸与显微镜物镜视场尺寸相同顺序的打印块拼接在一起来形成物体。然而，这种方法存在上述问题，即由于悬垂结构的第一层打印层的漂浮，打印完全失败或具有严重扭曲特征的物体。通常，可以通过施加更高的激光剂量来增加打印层的刚度，从而增加交联和层的厚度，从而使它们更加稳定。然而，通过激光参数优化可能进行的改进是有限的，在许多情况下，并不能解决具有长悬垂结构的物体打印作业失败的问题。在打印具有长悬垂结构的物体时，缓解自由浮动层问题的另一种可能方法是采用悬垂结构的垂直切片，而不是水平切片。这样，新打印的层将始终与已打印的部件接触。然而，打印时间将急剧增加，因为在这种情况下不会使用用于水平激光扫描的打印机的高速振镜。此外，这种方法不能使用当前市售的软件和硬件工具来实现，但在使用二元全息术的实验装置中得到了证明 [[23]， [24]]。为了解决打印具有长悬垂结构的物体时自由浮动层的问题，在我们提出的方法中，我们从大量缝合在一起的短打印块中形成悬垂结构，其中每个块都足够小，可以打印而不会遇到第一个打印层的浮动问题。这最大限度地减少了由于浮动层而导致的最终打印 3D 对象失真问题。此外，所有这些小打印块都以固体打印模式打印，从而实现更高的稳定性。同时，在Shell & Scaffold 打印模式下，使用常用的大块尺寸打印 3D 物体的非悬垂部分。因此，可以将3D物体的整体打印时间保持在最低限度，同时能够实现长悬垂结构。
为了展示我们的3D打印方法的实现能力，我们进行了一系列比较实验，以测试我们的新方法与传统方法相比的性能。在这些实验中，我们设计了包含长悬垂部件的 3D 结构，这些部件的打印极具挑战性（图 1b）。第一个实验 3D 对象由一个具有不同长度的单侧夹紧悬臂的结构组成（图 1b，上图）。悬臂的横截面为50 μm x 50 μm，悬臂长度分别为50 μm、250 μm、500 μm和1000 μm。两个较短的悬臂（50 μm 和 250 μm）的全长可以使用单个打印块进行打印，而两个较长的悬臂（500 μm 和 1000 μm）需要缝合。第二个实验 3D 对象由一个长 1000 μm 的双面夹紧梁（桥式结构）组成，横截面为 250 μm x 180 μm（宽 x 高）的矩形（图 1b，下图）。我们选择这种结构来评估双面夹紧梁和单面夹紧悬臂的 3D 打印中可能存在的差异。我们使用传统的3D打印方法和新的3D打印方法打印了两个实验3D对象。我们打印的对象的完整 3D 模型和我们在实验中使用的打印参数可在打印文件中找到（另请参阅支持信息）。
在传统的3D打印方法中，我们将大型打印块与壳体和脚手架打印模式相结合。对于悬臂结构，我们使用了 280 μm x 160 μm x 151 μm（长 x 宽 x 高）的打印块尺寸（图 2a，左图），对于桥结构，我们使用了 280 μm x 305 μm x 100 μm 的块尺寸（图 2b，左上图）。我们分别在悬臂式和桥式结构中选择了 160 μm 和 305 μm 宽的打印块，将它们分别安装在一个打印块中，并避免沿结构宽度缝合线。对于悬臂结构，选择打印块高度以适应物体的整个高度。对于桥梁结构，选择块高度是为了在z方向上组合不同尺寸的打印块。预计块宽度和块高度都不会对第一层打印层的浮动问题产生重大影响。浮动发生在前几个打印层中，因此，它与块高度无关。此外，浮动通常发生在 z 方向上，浮动部件的悬挂端点相对于任何锚点的距离越远，问题就越严重，因此预计打印块宽度不会起重要作用。
与传统的3D打印方法相比，在我们的新方法中，我们在单个打印作业中组合了不同的打印块尺寸，并对大型打印块使用Shell和Scaffold打印模式，对小型打印块使用Solid打印模式。为了确保良好的块对齐过程，我们将定义悬垂结构的块的块长度（沿悬垂结构长度的 x 方向）减少了 20 倍，即从 280 μm（在传统方法中）到 14 μm（在我们的新方法中）（图 2a，中间和右面板;以及支持打印文件）。此外，对于桥结构，我们选择了分别为 25 μm、50 μm 和 100 μm 的不同块高度（z 方向）的组合（图 2b，右图;和支持打印文件）。为了在我们的新方法中结合不同的打印策略和块大小，我们使用相应的参数将 one.stl 文件编译为不同的打印作业，例如，在 Solid 模式下具有小块大小的打印文件，在 Shell & Scaffold 模式下具有大打印块大小的打印文件。随后，我们从相应的打印文件中复制了所需的块，并将它们组合成一个打印作业。打印块的组合必须手动完成，因为 3D 打印软件 （DeScribe） 不支持自动执行此操作，而是在编译打印作业时只允许在块大小和打印模式方面使用一种块类型。短打印块的块长度被选为长打印块的固定部分，以确保在打印过程中能够轻松对齐块。在 z 方向上使用不同的块高度会导致块的偏移，这可以通过逐步组合从较小到较大的块大小的不同块大小来避免。例如，桥梁结构的底层是关键的初始打印自由浮动层，使用25 μm高的打印块进行打印，然后再打印一个相同高度的打印块，随后使用50 μm高的块，所有三层组合到100 μm的初始块高度。然后使用高度为 100 μm 的第四个打印块（图 2b，右面板）。为了实现打印块的完美垂直和水平对齐，重要的是要考虑每个打印块在样品台上的位置以及打印块对齐所需的移动（图 2c）。打印块时，激光物镜放置在该块的中心。因此，为了在280 μm长的块旁边打印14 μm长的块，载物台需要从280 μm长块的中心移动140 μm，以定位在长打印块的末端，再加上额外的7 μm以到达第一个短块的中间。因此，当长打印块和短打印块的打印组合在一起时，载物台的总移动量为 147 μm（而不是仅打印大块时的 280 μm）。
当我们使用概述的传统双光子聚合打印方法打印两个实验性 3D 对象（单面夹紧悬臂和双面夹紧梁）时，正如预期的那样，我们观察到悬垂部件的浮动层引起的问题，导致结构坍塌和严重变形（图 3a 和 c）。在使用标准打印块尺寸（悬臂方向为280μm）和壳体和脚手架打印模式（图3a）打印的悬臂结构示例中，打印悬垂特征的问题在所有悬臂中都变得明显，即使是两个较短的悬臂不使用相邻打印块的缝合。例如，250 μm 长的悬臂显示了印刷层的运动问题（图 3a，右图），也称为堆叠误差 [16]。印刷悬臂没有保持 50 μm 的恒定悬臂厚度，而是向尖端逐渐变细，这是由于印刷过程中第一层印刷底层向上漂浮在液态树脂中造成的。这会导致引入缝合块时错位，如 500 μm 和 1000 μm 长的悬臂所示（图 3a，中间面板）。在这里，两个悬臂的结构完整性被破坏，悬臂在印刷过程中倒塌。即使将打印模式从外壳和脚手架模式更改为实体模式也没有带来改进。虽然使用实体打印模式时，最终的3D打印结构应该更稳定，但第一层的打印在壳和脚手架模式和实体模式下都是相当的。因此，在打印过程中，前几个打印层可能会漂浮在液态树脂中，从而导致观察到的锥形和/或折叠的悬臂和未对准的打印块。
当我们使用与上述悬臂相似的参数（壳体和脚手架模式和 280 μm 长的打印块）打印 1000 μm 长的双面夹紧梁时，我们还观察到悬垂部分中的浮动层引起的问题，导致梁底部的表面严重扭曲（图 3c）。这表明，即使对于双面夹紧结构（如所描绘的梁），如果悬垂部分的长度超过单个打印块的长度，浮动层问题也会带来严重的挑战。由于长光束必须使用多个打印块进行打印，因此每个单个打印块的打印都是在单面夹紧配置中完成的，因此仍然可以观察到最初打印层在光束底部的浮动。因此，当使用传统的印刷方法时，只有在打印可以装入单个印刷块的双面夹紧梁时，才能避免与初始印刷层浮动相关的问题，这限制了设计自由度。此外，这种配置中层的浮动提供了一个不同的问题，在检查梁的底面时可以看到（图 3c，中间面板）。由于光束的底层向上漂浮，因此打印的块会移位并错位。由于打印是使用壳和脚手架模式完成的，因此打印的外壳在打印块之间的缝合区域停止，并且光束内部暴露在这些区域（图3c，右图）。由于梁结构的内部含有液态树脂，树脂在显影过程中被冲走，导致观察到的空心结构。
与传统的悬臂和梁结构打印方法相比，当我们在单个打印作业中使用不同块尺寸的新方法，并结合对大型打印块使用应和脚手架模式，对小打印块使用实体模式时，可以大大减少浮动部件的问题（图3b和d）。使用沿悬垂结构方向仅 14 μm 长的块打印的单面夹紧悬臂（与传统方法中的 280 μm 长块相比）表明，所有悬臂，即使是最长的 1000 μm 长的悬臂，都获得了预期的形状并保持了其结构完整性（图 3b）。虽然仍然可以观察到与最初打印层的浮动相关的小问题，但它的发生量可以忽略不计，不会影响悬垂悬臂的结构完整性。与使用传统方法打印相比，使用我们提出的方法打印的悬臂不会向其尖端逐渐变细，并且在整个长度上保持相同的 50 μm 高度。
但是，对于许多对象，尤其是大型对象，将许多小型打印块与实体打印模式结合使用可能会有问题，因为这种方法会大大增加所需的打印时间。例如，虽然在“壳和脚手架”模式下使用大块打印悬臂结构需要 4 分 12 秒，但将使用几个小块与实体模式结合使用的方法更改打印方法会将所需时间增加到 26 分 32 秒。在打印双面夹紧梁时，这个问题变得更加明显。当从使用壳和脚手架模式的标准大型打印块更改为使用实体模式的几个小型打印块时，打印时间从 6 分 15 秒增加到 2 小时 23 分 51 秒（由 DeScribe 软件估计）。我们提出的将不同的块尺寸和打印模式组合在单个打印作业中的打印方法不仅为浮动层问题提供了解决方案，而且还能够将相关的打印时间增加保持在最低限度。这以悬臂结构的打印为例（图3b），其中结构的主体使用大型打印块（280 μm x 160 μm x 151 μm）在壳和脚手架模式下打印，而仅使用沿悬臂长度缩短的打印块（14 μm x 160 μm x 151 μm）在实体打印模式下打印。因此，悬臂可以成功打印，并且它们保持了出色的结构完整性，而使用大型打印块打印的结构的其他部分则具有光滑的表面，只有少量的缝合线。重要的是，同时，所需的打印时间可以保持在 18 分 26 秒，这比仅使用小打印块并结合实体打印模式打印同一对象的估计 26 分 32 秒要快。
当我们用我们的方法打印双面钳形梁时，我们得到了类似的结果，这表明当在光束长度（Fig. 3d）方向上使用短打印块时，可以克服与浮动层相关的问题。这些结果说明了在打印相对较厚（高）且需要光滑表面的悬垂梁时，组合不同打印块尺寸和打印模式的重要优势。具体来说，我们在实体模式下使用短而薄的打印块打印光束的第一层（底部）（图 2b，右图）。随后，我们在壳体和脚手架打印模式下使用大型打印块打印光束的上层。这是可能的，因为光束的上层印刷在已经印刷的底层的顶部，因此，印刷不会受到浮动层引起的问题。为了优化这些实验中的整体打印时间，我们使用大型打印块（280 μm x 305 μm x 100 μm，壳和脚手架模式）来打印梁支撑柱的底部，并继续使用小打印块（14 μm x 305 μm x 25 μm，固体模式）用于梁的第一层（底部），该层连接到其两端的支撑柱。随后，用三层较大的打印块（首先是 280 μm x 305 μm x 25 μm，然后是 280 μm x 305 μm x 50 μm，最后是 280 μm x 305 μm x 100 μm，壳和脚手架模式）打印光束的整个厚度（高度），从而产生具有光滑顶部和侧面的光束（图 2b， 右面板和Fig. 3d）。通过这种方法，我们将打印时间保持在仅 19 分 14 秒，而仅使用小打印块并结合实体打印模式打印同一对象的打印时间为 2 小时 23 分 51 秒（由 DeScribe 估计）。
为了进一步研究使用不同打印块长度对打印结构表面形貌的影响，我们使用不同长度（7 μm、14 μm、28 μm、56 μm 和 140 μm）的打印块打印双面夹紧梁，并将产生的表面形貌和打印时间相互比较（图 4）。正如预期的那样，浮动层的问题随着打印块尺寸的减小而减少，从而导致表面形貌减小。重要的是，所提出的方法能够打印出长而精致的悬垂结构，否则这些结构无法打印，但这需要权衡降低打印速度。图4c显示了由浮动层引起的表面形貌的近乎线性的改善，并减小了打印块尺寸。但是，随着块尺寸的减小，打印时间会显着增加。图4b显示了打印时间与打印块长度之间的反比关系，这是由于随着块长度的减小而增加打印块的数量时需要额外的载物台和激光物镜移动。因此，应考虑所需打印质量和打印时间之间的权衡。我们发现，当使用不同的树脂（即IP-Visio、IP-L、IP-Dip，德国）和使用具有更高放大倍率的不同激光物镜（63x/NA 1.4 Oil DIC M27，Zeiss，Germany）时，块尺寸、表面形貌和打印时间之间存在相似的关系（图4b-c和S5部分，在支持信息中）。虽然使用不同树脂、激光物镜和光束几何形状打印的双面钳形光束的测量表面形貌相似，但具有不同几何形状的物体的表面形貌以及使用不同设置和树脂打印的表面形貌可能略有不同。因此，必须进行工艺优化实验，以评估使用不同打印块长度对所设计悬垂结构的表面形貌的影响。打印结构底部的表面形貌会影响其机械性能，例如单侧夹紧悬臂的弯曲刚度。为了估计不同表面形貌对悬臂力学性能的影响，我们使用 COMSOL® 模型模拟了我们打印的 50 μm 厚悬臂的横向弹簧常数，并通过 SEM 成像测量了表面形貌。我们将模拟的弹簧常数与计算出的没有表面形貌的悬臂弹簧常数的理想情况进行了比较。所使用的 COMSOL® 模型和获得的结果详见支持信息第 S6 节。对于使用小于 14 μm 块长度的 3D 打印悬臂，所得的测量表面形貌都导致模拟弹簧常数变化低于 8%。
除了研究打印块长度对打印结构的影响外，我们还打印了不同厚度的单面夹紧悬臂，以评估我们提出的方法的可打印性极限。因此，我们打印了与图2a所示的单侧夹紧悬臂相同设计的3D物体，但悬臂厚度为100μm，20μm，10μm和5μm。对于每种悬臂厚度，我们使用具有大打印块（280 μm）的传统打印方法打印结构，并使用我们提出的组合不同块尺寸和打印模式的方法打印结构，其中沿悬臂长度的打印块为14μm（图S3，支持信息）。对于超过20 μm的悬臂厚度，使用传统印刷方法印刷的悬臂是完整的，但表现出较差的结构完整性并向下弯曲到基材，而使用短印刷块印刷的悬臂是直的，并且表现出较高的结构完整性。对于厚度低于 20 μm 的悬臂，使用传统方法打印的悬臂由于致命的缝合故障而不完整，而使用短打印块打印的悬臂是完整的，并且具有良好的结构完整性，尽管它们由于聚合物的刚度有限而向基材表面弯曲。出于同样的原因，厚度低于 5 μm 的单面夹紧悬臂没有成功打印，因为它们会塌陷到基材表面。然而，成功打印了厚度为 1 μm 和 2 μm 的双面夹紧梁（图 S4，支持信息）。
我们的方法实现的长悬垂结构通过双光子聚合极大地增强了微3D打印的能力，并为新的应用开辟了道路。可以从我们的方法中受益的一个应用示例是悬挂波导，它具有间隔的支撑结构，而不是可能导致过度光吸收的连续波导支撑。另一个应用示例是惯性传感器结构（例如加速度计），通常需要将悬挂的光束连接到主传感器框架。为了证明我们的方法在此类应用中的实现能力，我们打印了一种概念验证加速度计结构（图5），这是传统方法无法打印的[25]。在这个演示器结构中，悬垂的水平悬臂的横截面为 20 μm x 20 μm，并使用 13 μm 长的打印块进行打印。这些结果表明，相似的打印块长度可用于打印不同尺寸和截面的悬垂结构，并且仍能获得良好的结构完整性。然而，为了获得具有优化表面和尺寸质量的3D打印对象，应根据打印对象的特定几何形状调整使用的打印块尺寸。
总之，我们成功地演示了长度至少为1000 μm（厚度（高度）：50 μm，宽度：50 μm）的单面夹紧悬臂的3D打印，方法是将局部调整的打印块尺寸与壳牌和脚手架和实体打印模式相结合。这些悬臂比先前报道的通过双光子聚合打印的最长悬臂要长得多，后者的长度约为110μm（高度：12μm，宽度：20μm和40μm）[4]。重要的是，我们的新方法可以打印出大于单个打印块面积（即大于所用显微镜物镜的可用视场）的悬垂结构，而无需牺牲支撑结构。因为我们没有观察到缺陷或沿着悬臂长度向尖端逐渐变细，我们认为可以打印更长的悬臂，只是受到打印材料的机械强度的限制。目前，我们在单个打印作业中结合使用大量不同尺寸的打印块以及 Shell & Scaffold 和 Solid 打印模式的方法需要在打印文件中手动实现。然而，由于 3D 打印软件的当前局限性，无法组合不同的打印方向（向上和向下），从而允许打印单面夹紧拱形结构。在许多情况下，打印块和不同打印模式的组合可以实现原本不可能的结构的 3D 打印。值得一提的是，存在通过自适应拼接减少打印时间的定制算法。然而，它们被调整为大特征和精细特征的组合，而不是悬垂结构，同时至少需要对python脚本有基本的了解[26]。在未来，我们提出的打印方法可以通过创建特定的脚本来实现自动化，或者最好是将其无缝集成到3D打印软件工具中，这将极大地促进其在商业3D打印工具中的影响和使用。此外，所提出的方法可以通过几何补偿策略来增强，该策略可用于降低表面形貌。综上所述，我们用于3D打印具有长悬垂结构的物体的方法解决了通过双光子聚合进行微3D打印的重要限制，并扩展了该技术的设计空间。这将导致令人兴奋的新研究，并在研究和工业中具有重要的应用，涉及医学、航空航天和光子学等许多领域。
在本研究中，我们提出了一种方法，通过局部调整打印块的大小，并根据打印块的大小，使用壳和脚手架或实体打印模式，实现具有悬垂结构的物体的双光子聚合3D打印。我们通过3D打印长度高达1000μm的单面夹紧悬臂，以及3D打印1000μm长的双面夹紧梁，成功地演示了这种方法。由于我们可以毫无问题地打印这些演示器，我们相信使用我们的方法可以3D打印更长的悬垂结构，仅受所用材料的机械强度的限制。我们将结果与使用传统方法的3D打印相同物体进行了比较，发现我们的新方法可以成功打印这些结构，从而通过双光子聚合在3D打印领域开辟了新的令人兴奋的途径和灵活性。
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OMeda成立于2021年，由3名在微纳加工行业拥有超过7年经验的工艺，项目人员创立。目前拥有员工15人，在微纳加工（涂层、光刻、蚀刻、双光子印刷、键合）等领域拥有丰富的经验。 同时，我们支持4/6/8英寸晶圆的纳米加工。 部分设备和工艺支持12英寸晶圆工艺。针对MEMS传感器、柔性传感器、微流控、微纳光学等行业。 我们将凭借先进的设备、仪器和经验，为您带来可靠性、性能优良的产品和高效的服务
中国（上海）自由贸易试验区临港新片区业盛路188号450室 电话：+86 188 233 40140 邮箱：jing.chen@omeda-optics.com
来源：OMeda
OMeda（上海奥麦达微）成立于2021年，由3名在微纳加工行业拥有超过7年经验的工艺，项目人员创立。目前拥有员工15人，在微纳加工(镀膜、光刻、蚀刻、双光子打印、键合，键合)等工艺拥有丰富的经验。 同时，我们支持4/6/8英寸晶圆的纳米加工。部分设备和工艺支持12英寸晶圆工艺。针对MEMS传感器、柔性传感器、微流控、微纳光学，激光器，光子集成电路，Micro LED,功率器件等行业。 我们将凭借先进的设备、仪器和经验，为您带来可靠性、性能优良的产品和高效的服务。
