在阅读此文之前，麻烦您点击一下“关注”，既方便您进行讨论和分享，又能给您带来不一样的参与感，感谢您的支持文|柳丝园a编辑|柳丝园a前言近年来，三维打印技术已成为最具前景和突破性的制造技术之一，它可以生产高度详细的结构，遵循简单和系统化的步骤，无需传统技术所需的昂贵设备，通常需要在大型设施中使用洁净室。
三维打印技术为许多研究人员和各种各样的行业提供了访问复杂制造过程的便利。
在其中，微流控领域明显受益于三维打印在微加工过程中的作用，在这些过程中，通常使用产生大量污染化学废物的技术，如反应离子刻蚀和光刻技术。
除了在化学、工程和传感领域的多种应用外，微流控技术在医学和药学方面也引起了极大的兴趣。
其中一个挑战是制造能够模仿生理结构的复杂器件，如血管、静脉和动脉，可以在静态和流动条件，动态模式下测试新型药物。
与传统方法中在孔板中进行的测试静态模式相比，这些研究更接近实际情况，有望减少在患者用药前需要进行的动物实验。
所有这些器件由不同类型的微通道组成，能够引导微小液体样本。
为了能够制造这些器件，需要新的技术以可重复和准确的方式进行制造。
3D技术成为了一个有前途的选择，因为它可以轻松快捷地实现高分辨率的微通道，采用简单的步骤；可以选择不同形状的微通道剖面，圆形、矩形、三角形；并且可以在3D或内部上创建复杂表面上的通道。
目前，有两种3D打印技术脱颖而出：熔融沉积建模和立体光刻。
FDM打印机基于将加热的聚合物丝料融化并挤压，形成零件的连续层次。
SLA打印机使用光固化方法，有选择地将液态树脂固化在一个容器中，通过逐层精确的方式制造模型。
流行的3D打印技术这两种技术由于其多功能性和高效性而被广泛使用，但SLA提供了最高的精度。
由于SLA打印机制造的表面质量很高，出现了各种适用于该设备的生物相容材料，增加了其在生物应用领域的潜在应用。
有许多示例展示了在生物应用方面，立体光刻打印机制造复杂微流体器件的前景，因此，使其成为专注于3D打印可靠准确和生物溶剂微流体器件的研究人员的选择。
然而，为了优化打印结果，必须考虑一些技术方面的问题。
其中，PZ是在距表面深度z处测得的光功率；P0是表面上的功率；DP是光强度减少到表面强度的1/e的因子时达到的深度。
请注意，DP是一个因素，取决于树脂的成分，它决定了其吸收特性，分散和吸收。
可以用能量来重写功率项，这样z就成为提供适当光照时的固化深度，从而得到SLA 3D打印机的工作曲线方程。
其中，CD是光能量足够将液态树脂转化为凝胶的深度或厚度；E0是表面上的光能量；EC是启动光聚合所需的临界能量。
根据比尔-朗伯定律，曝光的光强度在树脂表面达到最大值，随着光穿过树脂逐渐减弱，因为吸收介质的衰减效应。
在树脂中，光聚合体积会随着紫外线照射而增加，直到树脂达到凝胶点，从液态变为固态。
DP和EC是取决于树脂化学特性的参数，可以通过绘制CD与E0的半对数图，得到一条斜率为DP、x轴截距为EC的直线曲线来确定。
一旦了解了DP和EC，就可以通过适当选择曝光参数来优化打印过程，并实现设计的零件性能。
这是在高分辨率的立体光刻打印中获得良好结果的关键，通过最小化沉积和光固化层的厚度，以实现最大的细节。
在大多数立体光刻打印机中，用于进行光聚合的光源是激光，因此XY分辨率由光斑在表面上的大小决定。
在了解了前述参数后，用户或打印机制造商可以选择适当的光照参数，扫描速度、功率，以优化固化条件，实现最终设备的最佳分辨率。
另一个决定性因素是打印臂允许的最小Z步进，它逐渐将零件从容器底部抬起，从而确定每种树脂的相应层厚。
树脂的制造商特性最后，为了获得合适的内部通道，需要分析的一个最重要的方面是设计设备的方向。
因此，需要深入研究在光聚合制造过程中，设备的倾斜对其影响，以确定哪些配置能够提供更好的结果。
我们必须意识到，打印机会将零件切割成一系列平行于底座的层，因此如果原始配置被旋转，这些层将会随之改变，连同将被固化的区域。
因此，具有高表面细节的物体应该以有助于层次准确固化的方向进行打印。
在内部通道的情况下也是如此，适当的角度可以有利于从内部完全排除液态树脂的废料，避免堵塞。
在这项研究中，我们将介绍一项关于SLA3D打印机在微流体器件方面表现的研究。
为了达到这个目的，我们将设计并制造一个具有一系列不同直径和角度的内部通道的环形零件。
我们将评估设备在打印方向上对结果的影响。
该研究将涵盖七种不同商业打印树脂。
材料和方法3D打印我们使用一台Form 3B打印机来打印待研究的器件。
这台打印机采用了一种名为“低力Stereolithography”的新技术，是SLA打印机的一个进一步发展，旨在减少零件在打印过程中所经历的制造应力。
简而言之，这项技术将一个振镜系统与一系列镜子结合在一起，使激光束与树脂槽垂直交角射入，槽底由一种能在零件被压在上面时变形的柔性材料制成。
这样3D打印结构的精度得到了提高，因为可以确保激光能量的均匀沉积。
众所周知，打印方向将决定所打印器件的特征。
通常，供应商建议使用45°的打印方向以优化该过程。
虽然这个建议对于表面结构是有用的，但我们意识到对于内部通道来说，未固化的树脂的排除可能会产生堵塞的腔道。
为了测试打印角度对于创建具有良好质量的内部通道的影响。
我们设计了一个四分之一环形零件，其中包含七个内部通道，分别以0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°的角度定向，并进行了打印。
对于每种选择的树脂，我们进行了四次研究，每次都改变了内部通道的直径。
这些零件可以被标识为A、B、C和D，分别对应直径为250、500、1000和1500微米的微通道。
用于研究在不同打印角度和内径条件下内部通道形成的设计图像，不同树脂打印的选定环形零件的照片，理论内径为500微米。
数据采集直径测量使用尼康MM 400金相显微镜，它可以实时进行测量并使用分析NIS-Elements尼康软件进行分析，通过调整软件允许在图像上移动和修改的测量周长。
通道在透射光配置下被照明，这使我们能够测量每个通道的腔腔。
使用LU Plan Fluor物镜进行了图像采集，放大5倍，并使用CCD相机尼康DS-FI2进行拍摄。
每个通道进行了五次测量，得出了几何平均值和标准偏。
使用3D光学轮廓仪S neox以共聚焦模式工作，获得了微通道内部表面的纵向切片图像。
用于使用显微镜测量季度环的内部通道,白色箭头指示未完全形成的通道，是以0°和15°打印的。
用Model树脂打印的通道末端的显微镜图像，打印角度为75°，理论直径为1000微米。
材料要想在SLA打印机上获得高精度的结果，关键因素之一是每种树脂所允许的打印臂的Z步长。
因此，为每种树脂选择了最小的Z步长，其中一些使用的树脂甚至具有生物相容性,这增加了它们的潜在应用。
在打印完成后，需要进行两步的后硬化过程，以改善树脂零件的机械性能和表面光洁度。
这个过程首先是将零件在Form Wash槽中用>90%的异丙醇清洗一次，然后将零件晾干，放入UV Form Cure设备，该设备可以控制温度，并配备了发射405 nm波长的LED。
在实际的SLA打印机中，制造具有连续和畅通腔道的内部通道是主要挑战之一，这是因为这些通道在微流体学中有许多应用。
在块体中制造具有适当腔道的空腔是一个非常困难的过程，因为每一层的光聚合都是由前一层支撑的，因此排空未聚合的树脂可能会很麻烦。
在许多情况下，获得畅通的通道的目标与打印机需要在较大的空腔中引入支架的需求相冲突，这会导致如果在打印过程中不使用一些支撑物，内部通道会坍塌。
此外，打印机本身的分辨率可能会成为非常小的通道的限制因素，这些通道没有结构上的挑战。
为了正确确定小通道和大空腔之间的尺寸限制，并研究内部通道性能与打印机的直径和角度之间的关系，我们为每种树脂打印了穿过内部通道的四分之一环。
从获得的结果可以定义三种打印模式,对于小直径的通道，任何树脂在任何角度下都没有制造出通道，因此无法提供数据。
可以得出结论，对于这些尺寸，由于尺寸过小，内部空腔的形成在这个范围内是不可能的，这会阻止树脂的正确排空。
这意味着，打印件内部结构的分辨率低于外部结构的分辨率，因为如果它们在表面制作，这种尺寸的结构可以形成。
接下来，对于直径在500-1000微米范围内的通道，使用实验配置测量了这些通道的底部。
我们将准确度定义为打印和理论设计直径之间的比率，以百分比表示。
观察到的趋势是，随着打印角度增加，实验直径增加，而理论值保持不变。
对于500微米直径的通道，几乎在90°的角度下达到100%的准确度。
此外对于大于60°的角度，它们在80%以上的准确度范围内，与 Model 树脂一起。
对于较小的角度值，通道比设计的更窄，随着角度减小，纵向上也更不完整，因此在15°下，只有 Amber、Clear 和 Model 树脂形成通道，而在0°下则没有。
纵向上，Clear 和 Dental 仅在90°下形成完整的通道，而 Amber 树脂在60°、75° 和 90° 下能够形成完整的通道。
对于其他值，通道没有完全形成，尽管通道的非阻塞长度随着角度的增加而增加。
当直径为1000微米的通道被制造出来时，打印的准确性呈现出全局性的增加，对于每个研究的角度始终在70%以上。
随着角度的增加，观察到了精度的提高，从45°开始，所有的树脂都显示出超过80%的准确性,除了 Model 树脂，其显示出一种更不规则的趋势。
最佳结果是在90°，在这个角度下所有的树脂都超过90%，Model 树脂是个例外，达到了88%。
在直径为1500微米的通道的情况下，对于每个研究的角度，准确性都达到了85%。
通道的长度增加，直到它们在Clear树脂的45°和Amber以及Dental树脂的15°下完全形成。
对于更大的角度，这些树脂形成了完整的通道。
对于这些直径，角度大于60°的结果尤其适用，所有的树脂显示出超过95%的打印准确性，Model树脂的准确性是个例外，它更接近90%。
因此，直径较宽的内部通道可以在任何角度下制造内部空腔，无需内部支撑。
需要注意的是，在Tough和Model树脂的情况下，由于其不透明性，通道的长度无法通过肉眼进行评估。
选择在45°和500微米直径的通道进行内部表面的检查。
具体来说，由于它们的不同特性，比如Z步长、生物相容性、透明性等，选择了Tough、Clear和Model树脂进行分析。
显示了通道的纵向截面的共焦图像，可以观察到半圆形的设计轮廓被很好地转化成了打印出来的部件。
通过比较Tough与Clear和Model树脂的共焦图像，可以观察到随着Z步长的减小，表面波纹性减少。
在模型树脂中实现了最平滑的轮廓。
从前面的分析中，我们意识到印刷角度是关键因素，对于防止或促进内部通道的形成具有重要影响，因此较大的角度被认为是最适合通道正确形成和尺寸更接近设计的。
这项研究中发现的另一个关键参数是直径。
正如我们所见，较大的直径可以实现更高分辨率的结果。