低成本LCD 3D打印技术实现高精度微流控模具的尺寸补偿方法研究
作者及发表信息
本研究的通讯作者为河海大学机电工程学院的Xinjie Zhang（张新杰），合作作者包括Yuyang Liu（刘宇阳）、Yang Bao（包阳）等，国际合作单位包括日本东京工业大学化学系和加拿大约克大学机械工程系。研究成果发表于Springer Nature旗下期刊*Microchimica Acta*（2024年9月在线发表，卷191，文章编号583）。
学术背景
微流控技术因其低样本消耗、高灵敏度等特点，在生物医学、药物筛选等领域应用广泛。传统光刻技术（photolithography）虽能制备高精度微流控芯片，但存在成本高、工艺复杂且仅能制造二维结构的局限性。近年来，低成本液晶显示（LCD）3D打印技术因其可快速成型复杂三维结构的优势受到关注，但其打印精度受光固化树脂过固化（overcuring）和收缩效应影响，难以满足微流控应用的高精度需求。本研究旨在通过尺寸补偿方法优化桌面级LCD 3D打印工艺，提升微流控模具的尺寸精度，并开发配套的后处理技术以解决聚二甲基硅氧烷（PDMS）固化抑制问题。
研究流程与方法
1. 模具设计与打印优化
- 模型设计：使用SolidWorks设计三种不同尺寸的微通道测试模型（方形截面：100–1000 μm；三角形截面：边长100–1000 μm），通过STL文件导入LCD 3D打印机（X190，中国深圳小样科技）。
- 参数优化：系统测试了层厚（10–50 μm）、曝光时间（4–20 s）、抗锯齿等级（2/4/8）和打印速度（100–300 mm/min）对微通道尺寸的影响。关键发现包括：
- 层厚：35–40 μm为最优范围，可将方形通道的宽度和高度误差率分别控制在3.41%和5.6%。
- 曝光时间：短曝光（4 s）减少横向扩张，但需通过尺寸补偿校正垂直收缩（平均收缩率19%）。
后处理工艺开发
尺寸补偿方法
应用验证
主要结果与逻辑关联
1. 打印参数优化：层厚35–40 μm和短曝光时间（4 s）的组合将微通道尺寸误差控制在±30 μm内，为补偿方法奠定基础。
2. 补偿效果：通过补偿因子校正后，方形和三角形通道的误差率分别下降至2%和9%，证明该方法对复杂结构的普适性。
3. 应用验证：梯形螺旋通道的高精度打印和颗粒分选实验表明，该方法可直接服务于微流控功能器件开发。
结论与价值
1. 科学价值：
- 揭示了LCD 3D打印中光固化树脂的尺寸误差机制，提出系统化的参数优化框架。
- 创新的尺寸补偿模型为低成本打印高精度微结构提供了通用解决方案。
2. 应用价值：
- 突破桌面级打印机在微流控领域的精度限制，降低实验室研发成本（设备成本仅150–600美元）。
- 后处理工艺解决了树脂模具中毒化PDMS的行业难题，推动3D打印模具的标准化应用。
研究亮点
1. 方法创新：首次将动态尺寸补偿因子引入LCD 3D打印，实现复杂微通道的亚10 μm级精度控制。
2. 跨学科融合：结合机械工程（参数优化）、化学（树脂后处理）和生物医学工程（微流控应用），形成完整技术链。
3. 可扩展性：补偿因子公式（式1–2）可适配不同树脂材料和打印机型，具有广泛推广潜力。
其他价值
研究团队开源了打印参数数据库（表S1–S6），涵盖层厚、曝光时间等关键参数的实测误差数据，为后续研究提供参考。此外，提出的惯性分选芯片设计为血液分离、细胞筛选等生物医学应用提供了新思路。