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前瞻洞察|优化双光子聚合技术以实现低摩擦微结构表面的快速、高分辨率制备
发布时间:
2025-11-12
摘要：低摩擦表面在多个领域中具有提升性能的潜力，例如可提高交通运输工具的燃油效率，增强医疗设备的操作精度、安全性和舒适性。因此，开展通过精确几何控制以降低摩擦的研究具有重要意义。双光子聚合（Two-Photon Polymerization,TPP）作为一种高精度增材制造技术，能够制备具有复杂微结构的表面，非常适合用于摩擦学研究中微纹理表面原型的快速开发。然而，在制造大尺寸样品时，打印时间与打印质量往往难以兼顾。针对这一问题，本研究通过系统调整TPP工艺参数，包括激光功率、扫描速度、填充间距和分层厚度，使其更好地适配摩擦学应用需求，从而在打印分辨率与制造效率之间实现了平衡。此外，本研究还提出了一种结合实体填充、外壳打印与支撑结构的混合填充策略，在维持表面完整性的同时显著缩短了打印时间。摩擦学测试结果表明，采用TPP制备的微凹坑结构能够有效降低摩擦系数，进一步证明了TPP技术在摩擦学原型设计与制造中的应用潜力。
一、研究背景
在汽车、医疗和精密制造领域，摩擦几乎无处不在。减少摩擦，意味着汽车更省油、医疗器械更安全舒适、零件寿命更长。然而，传统依赖润滑剂降低摩擦的方式存在局限：例如医疗注射器中的硅油，可能与药物发生反应，引发副作用。
近年来，研究者提出通过引入微米/纳米尺度表面结构来改善摩擦学性能，如微凹坑（microdimples）。微凹坑结构能像“润滑剂储槽”一样，减少接触面积、存储磨屑和润滑液，从而有效降低摩擦。然而，这要求制造技术必须具备极高的分辨率和几何精度。
二、研究内容
意大利帕多瓦大学的研究团队针对这一问题，基于双光子聚合（Two-photon polymerization , TPP）技术，提出了一种优化策略，旨在实现高分辨率低摩擦表面结构的快速原型制造。
1、工艺参数优化
该研究的出发点在于解决传统TPP在保证分辨率的同时往往制造速度过慢的问题，研究团队通过系统地优化激光功率、扫描速度、切片距离（slice distance）与打印间距（hatch distance）等关键工艺参数，找到了在效率和精度之间的最优平衡。
图1 (a)通过浸入式激光光刻 (dip-in laser lithography ,DiLL) 模式的TPP 进行3D打印的图示，(b)阴影和切片距离的定义。
该研究实验的激光功率范围从50%到100%（其中100%对应激光器输出50mW），扫描速度范围从50,000µm/s到200,000µm/s，hatch distance从0.2到1.0µm，slice distance从0.1到1.0µm，分别记录打印时间以及形变程度。
图2 不同激光功率和扫描速度组合下打印样品的SEM图像。照片显示了使用不同激光功率和扫描速度组合的样品质量。在一些剂量相对较低的样品中观察到了变形。
图3 扫描速度分别为50,000µm/s和100,000µm/s时：(a)观察到良好缝合相邻块的SEM图像样本，(b)轮廓显示出典型的缝合接缝，(c)由于收缩和变形而分离的块的SEM图像样本，(d)样本之间形成间隙，(e)扫描速度对打印时间和块间间隙长度的影响。
图4 （a）打印间距对打印时间、表面粗糙度的影响，（b）切片距离对打印时间的影响。
实验结果表明，当激光功率设置为100%、扫描速度达到100,000µm/s时，既能确保微凹坑等细微结构的完整性，又能显著缩短成形时间。增大打印间距可显著缩短总打印时间，但会提高表面粗糙度；增加切片距离可通过减少层数与层间过渡显著缩短总时间，但会牺牲成形精细度与轮廓准确性。在TPP参数优化中，打印间距建议选取0.5µm作为效率-质量的折衷点，并在不同样品间保持一致以保证摩擦学比较的公平性；切片距离应根据目标几何保真度选择：若需要保留曲面与细节，建议≤0.2µm；若以提速为主且允许一定轮廓台阶，可在0.5–1.0µm之间权衡，但需在结果分析中注明由此带来的轮廓改变及其可能对摩擦的影响。这一结论为后续复杂表面纹理的批量化原型验证提供了坚实的工艺依据。
2、混合填充模式（Hybrid Fill Mode）创新
在工艺参数优化之外，该研究还提出了一种混合填充模式（Hybrid Fill Mode），以进一步提升制造效率。传统的实心填充（Solid fill）能够带来极佳的几何精度和表面质量，但打印时间过长；壳/支架填充（Shell&Scaffold,S&S fill）则以空心支撑的方式大幅缩短时间，但容易造成表面均匀性不足。研究团队将两者结合，在样品体积部分采用S&S模式以提升速度，而在关键功能层（尤其是与摩擦接触的表面）采用Solid模式以保持表面光滑与完整。通过这种混合策略，打印时间缩短了约65%，而表面几何误差依然控制在2.5%以内，几乎与纯实心打印的精度相当。扫描电子显微镜图像显示，混合模式制备的样品表面均匀性良好，能够满足摩擦学实验的需求。这一方法不仅在实验室阶段具备明显优势，还为未来TPP在工业原型制造中的推广应用奠定了技术基础。
图5 本研究中使用的填充模式的横截面：（a）实体填充模式，（b）S&S填充模式，（c）混合填充模式，该模式是实体（顶层）和S&S（本体）填充模式的组合。
图6 本研究中使用的三种填充模式的打印时间及其相应的SEM图像：(a)在S&S打印样品中观察到壳环，(b)(c)Describe软件中的模拟屏幕截图显示了壳轮廓数为12和25之间的壳厚度差异以及混合打印模式，（d）显示了实体和S&S打印部件。
3、摩擦性能实验
在性能验证方面，该研究团队设计并制造了多种不同几何形状和剖面的微凹坑结构，包括圆形与方形，以及平底、曲底和斜坡型等变体。随后在模拟注射器工况的环境中开展摩擦实验，系统评估了这些微结构对摩擦学性能的影响。实验结果表明，圆形-平底微凹坑的减摩效果最为显著，静摩擦系数降低幅度达到41%，动摩擦系数降低幅度达到56%。圆形-曲底和方形-平底结构也表现出明显的摩擦降低效果，而方形-斜坡型结构的效果相对较弱，但仍优于光滑无结构的对照组。这些结果充分说明，通过精确设计的表面微结构，可以显著改善材料的摩擦学性能，而TPP技术为这种精确设计与验证提供了有效手段。
图7 （a）具有不同表面形状和轮廓的TPP打印样品的SEM图像和轮，（b）测量尺寸在%误差方面显示出相对较高的精度。
图8 (a)COF(Coefficient of Friction，摩擦系数)显示了静态COF和动态COF部分，(b)微凹坑样品的静态COF减少量百分比和动态COF减少量百分比，(c)说明了倾斜轮廓如何比其他微凹坑与橡胶具有更大的接触面积。
三、结论展望
总而言之，该研究展示了双光子聚合技术在低摩擦表面制备中的巨大潜力。通过精细的工艺参数优化与混合填充策略，研究团队实现了制造效率与几何精度的兼顾，并在摩擦学实验中验证了微结构在降低摩擦方面的显著效果。实验数据显示，特定形貌的微凹坑结构能够将摩擦系数降低超过50%，充分证明了微结构对摩擦学性能的实际调控作用。该成果不仅在交通运输与医疗器械等领域具有应用前景，同时也为多光子光刻在功能性表面设计中的拓展提供了新的方向。未来，随着设备性能与光敏材料的进一步发展，基于TPP的低摩擦微结构设计有望从实验室走向产业应用，推动绿色制造与精密工程的深入发展。
四、文章信息
文章来源：Progress in Additive Manufacturin10, 5977–5992 (2025).
DOI：https://doi.org/10.1007/s40964-025-00947-3
作者：Kristal Bornillo,Marco Sorgato,Giovanni Lucchetta
作者单位：意大利帕多瓦大学（University of Padova），工业工程系
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