原创软性光刻用5D打印模具的溶剂萃取

 2023-1-13 13:58  924 4 4 分类: 工业电子

在添加制造(即3D打印)生产的模具中浇注聚二甲基硅氧烷(PDMS)可以快速成型具有微尺度特征的部件，而不需要传统的光刻。传统的光刻之后的软光刻涉及使用硅衬底和光掩模，这可能是昂贵的并且可能需要特殊的准备和处理(例如，在无尘室环境中应用和去除光刻胶)，而立体光刻3D打印机的出现允许在几乎任何实验室空间中快速制造用于PDMS铸造的母版。立体平版3D打印机使用光致聚合物树脂，固化后可以承受高达200°C的温度，不会发生塑性变形，这种情况发生在聚苯乙烯等玻璃化转变温度约为95-105°C的热塑性塑料中(Lerman等人)。耐高温的能力为PDMS和其他有机硅弹性体提供了快速固化的可能性，也为更好地控制弹性体的机械性能提供了可能性(Johnston等人)。然而，3D打印树脂模具内的组件，如残留的光引发剂和未反应的低聚物，可能会干扰PDMS的固化，导致打印模具和PDMS部件的界面处固化不完全。在这里，我们演示了一种简单的处理方法，通过溶剂提取来去除这些不需要的物质。

需要准备的材料：

立体平版3D打印机和适当的树脂。

防泄漏、可密封的容器，大到足以容纳3D打印模具。

餐具洗涤剂。

95%乙醇或异丙醇。

轨道振动台。

未固化的PDMS基料和固化剂(10：1 w/w)。

后固化UV灯箱

注意事项：

3D打印模具在UV灯箱中清洗和后固化后，将模具放入容器中并添加足够的溶剂以浸泡零件。

密封容器，放在摇床上24小时。

丢弃旧溶剂，添加新溶剂。密封并搅拌24小时。

将部件从溶剂中取出，并在室温下风干。

用于立体光刻的光聚合树脂的确切组成在不同的制造商之间可能有很大不同；因此，可能有必要调整方案(例如，溶剂的类型)。此外，较大的印刷品可能需要更多的溶剂和更长的溶剂提取时间，以解决不需要的成分从印刷品迁移到游离溶剂的更长时间。

为了演示我们的程序，我们打印了两组具有基本几何特征的5个相同的模具。一组使用1毫米厚的外壁，而另一组使用3毫米厚的外壁(图1)。模具使用OnShape(OnShape，Cambridge，MA)CAD软件设计，并使用B9Creator V1.2(B9Creations，Rapid City，SD)立体平版3D打印机打印。对于所有的印花，我们使用的是B9 Creations的B9-R2-Black树脂。该树脂由制造商记录，其热变形温度为65°C、0.45兆帕，符合ISO 75-1/2：2013标准(B9Creations)。由于不会对树脂模具施加明显的机械载荷(PDMS腔体的最大深度为6毫米)，我们决定这种树脂适合于我们的测试模具。印刷后，将多余的树脂浸入并搅拌在1升容器中的黎明洗碗剂和水的大约1：10的混合物中，从模具中移除多余的树脂。然后用洗涤瓶用过量的异丙醇冲洗，直到表面没有未固化的树脂的明显证据(大约每部分10-20毫升)，进行额外的清洗。然后将模具在紫外线灯箱中后固化20分钟。

图1.立体平版印刷模具的设计特点。(A)和(B)中的顶部面板是OnShape渲染。(A)和(B)中的底板是用B9 Creations B9-R2-Black树脂打印的部件。

一旦固化后，每个模具被放置在新的15毫升聚丙烯离心管和10毫升的测试溶剂(反渗透处理(RO)水，异丙醇，95%乙醇或甲醇)，并暴露在两个24小时。抽出后，用反渗透水短暂冲洗模具，然后风干1小时。然后，将约0.4毫升或1毫升预混10：1未固化的PDMS和固化剂分别加入到1 mm和3 mm的模具中。将PDMS部件在65°C的干燥烤箱中热固化一夜。然后用不锈钢铲小心地将固化的PDMS部件从模具中取出。照片是使用iPhone 7摄像头的默认设置拍摄的。

未经抽出或在水或甲醇中抽出的树脂模具生产的PDMS部件存在重大缺陷。在这些提取条件下，半固化的碎片和微量的未固化的PDMS留在PDMS-模具界面上(图2A-C)。用甲醇提取似乎削弱了固化的树脂，显著软化并在这些模具上出现裂缝(图2C)，虽然固化的PDMS很容易从甲醇提取的模具中释放出来，但这会在PDMS表面留下瑕疵。我们发现，用异丙醇或95%乙醇处理的树脂部件可以很好地作为PDMS的模具。固化的PDMS部件很容易从基材上释放出来，没有未固化的PDMS的可见痕迹(图2D-E)，我们回收的PDMS部件干净地复制了树脂模具的特征(图3)。除了在模具本身产生缺陷外，甲醇抽提还导致PDMS在固化时形成气泡(图3C)。总体而言，与3 mm厚的模具相比，1 mm厚的模具最容易释放PDMS铸件，但这可能只是由于1 mm厚的模具的长宽比(h/l)较低。