微尺度合规性设计：从用于传感与驱动的双光子聚合打印波纹管结构中学到的增材制造设计经验

《Proceedings of the Design Society》：Designing for compliance at the microscale: DfAM lessons from a 2PP-printed bellows structure for sensing and actuation

　　

增材制造 (AM) 使得能够将功能直接编码到几何结构中的合规性机制设计成为可能。现有的增材制造设计 (DfAM) 框架很少涉及微尺度增材制造，例如双光子聚合 (2PP)。研究人员展示了在刚性2PP树脂中设计一个同时用作传感器和驱动器的气密、整体式波纹管结构的过程。通过问题与解决方案的共同演化，研究人员识别了2PP特有的设计考量与机遇，包括制造不确定性、跨尺度迭代以及面向后处理的设计，为微尺度增材制造贡献了一个基于案例的DfAM框架。

### 微尺度增材制造中合规性波纹管结构的设计探索：一项基于双光子聚合技术的案例研究解读

#### 一、 研究背景与问题提出

随着增材制造 (AM) 技术的兴起，将诸如有意的合规性等功能编码到结构中，以替代多部件机构，已变得越来越普遍。部件整合是增材制造设计 (DfAM) 的一个关键议题。合规性机制依赖于机构内部柔性部件的弯曲和弹性变形，凭借三维设计自由度，增材制造加速了该领域的发展。随着组件微型化，传统的涉及传感、驱动和结构的组装方式变得不可行，这催生了通过形状实现功能设计的需要。微机电系统 (MEMS) 已依赖2.5D合规结构进行传感，例如加速度计、陀螺仪和磁力计。微型化增材制造的边缘案例是双光子聚合 (2PP) 技术领域。该技术可实现约100纳米量级的特征尺寸，对于NanoOne设备，构建体积可达40x40x40毫米。在此尺度下，多组件机构变得不可行，通过设计嵌入功能成为必然。此类组件的设计过程并非直截了当，需要迭代开发以实现所需功能，并需平衡功能、材料选择、特征尺寸和组件大小。然而，现有DfAM框架主要关注中观和宏观尺度应用，在应对日益增长的微米至纳米尺度增材制造方面存在不足。具体到2PP打印，尽管存在针对特定机器的指南，但缺乏通用的2PP打印设计指南。将DfAM原则延伸至微纳尺度需要解决诸如特征保真度、未固化材料去除、打印后处理以及表面力作用增强等新问题的新方法。特别是在刚性材料中设计气密、功能性的整体结构，并具有微米级特征尺寸，仍是一个尚未充分探索的领域。因此，本研究旨在通过一个具体案例，探索如何利用2PP和迭代开发，在刚性材料中实现一个结合传感与驱动功能的波纹管结构，以弥合2PP打印在合规性机制方面的潜力与当前文献之间的差距。

#### 二、 主要技术方法概述

本研究采用迭代开发方法，通过问题空间与解决方案空间的共同演化来推进设计。研究人员首先创建了一个二维微型游泳器演示作为概念锚点，以验证波纹管结构的膨胀收缩能驱动鳍片产生不对称运动。随后，研究在宏观尺度（使用熔融沉积成型FFF打印）和微尺度（使用2PP打印）之间进行跨尺度迭代，以获取机械直觉并优化设计。具体技术活动包括：通过简单的测试打印快速验证设计假设（如90度悬垂结构的可行性）；设计专门用于树脂去除的排水孔，并探索后处理密封方法（如热熔胶密封和两步打印密封）；以及构建一个集成了显微镜、压力传感器和注射器的测试装置，用于在受控环境下表征波纹管结构的压力-变形关系，并检测泄漏点。整个设计过程强调通过几何拓扑（如壁厚、曲率）而非材料选择来实现合规性，并考虑了与更大系统集成的接口设计。

#### 三、 研究结果

**3.1. 迭代开发过程**
研究通过从概念锚点到最终原型的多轮迭代，成功设计并制造了功能性2PP波纹管结构。早期原型（P1.1-P1.4）揭示了结构合规性对壁厚与结构尺寸关系的高度敏感性。宏观尺度原型（LS1-LS5）表明，平滑的蛇形图案因柔性部分更长、载荷分布更均匀，其性能优于之前的锯齿形图案，能减少应力集中并允许更大变形。

**3.2. 制造工艺原型化**
首个展示合规行为且可压缩而不失效的2PP原型（B1）成功验证了90度悬垂的可行性。为解决密封和稳定性问题，研究人员探索了系列原型（B1-B5），通过添加圆柱外壳或小销钉来稳定结构，但发现去除支撑结构不可行。研究开发了两种有效的密封方法：一是使用热熔胶快速密封排水孔，二是在两步打印过程中添加密封结构。最终选择了更简单快捷的热熔胶方法。

**3.3. 结构基准测试与微调**
通过专用测试装置对一系列基于B2原型的变体（B2.1-B2.5）进行测试，探索了壁厚、波纹管直径、打印分辨率（使用5倍和10倍物镜）与合规性之间的权衡。其中，B2.1、B2.3和B2.4实现了可见且可重复的变形而无泄漏。性能最佳的B2.4原型实现了高达47.2%的长度相对变化率。

**3.4. 经验总结**
基于案例研究，研究人员总结出对微尺度2PP打印，特别是合规性机制设计具有普遍指导意义的五点关键经验：跨尺度迭代对于克服设计师在微尺度缺乏机械直觉的障碍至关重要；设计必须充分考虑后处理（如树脂去除、密封、操作），以简化从打印到评估的流程；应通过快速的小规模打印验证来消除制造不确定性，而非回避；在材料选择有限的2PP中，应主要通过几何拓扑（而非材料）来实现合规性；设计需考虑功能接口，以便于系统集成，避免不必要的组装步骤。

#### 四、 讨论与结论

本案例研究中获得的许多经验与典型的DfAM主题密切相关，并可转移到其他微尺度组件设计中。部件整合是DfAM的主要议题，本案例展示的结构将两个刚性端部和一个复杂的多层几何结构整合为一个部件，结合了功能性合规元件和刚性端部，这在微型化导致组装不可行的尺度下是必要的。研究指出，当为增材制造设计并向下扩展到2PP等技术时，新的机遇（如90度悬垂、精细特征尺寸）与新的约束（如树脂排放、小部件操作、支撑结构不可行、设计师对微尺度部件缺乏机械直觉）会同时出现。对于合规性机制，这种缺乏直观感受的特性尤为关键，这也是跨尺度迭代在本案例中如此重要的主要原因之一。

现有的针对中观至宏观尺度增材制造的DfAM工作表（worksheet）中的部分元素（如应力集中、复杂性、无支撑特征）可转移至微纳尺度的2PP打印，但其普适性在针对2PP设计时存在不足。遵循案例研究可后续推广为理论发展的观点，像本研究这样的案例未来可以被概括为类似于现有DfAM工作表的形式，从而为构建更通用的微尺度增材制造设计方法学奠定基础。

**研究结论 (Summary):**
本研究展示了通过迭代开发过程，利用双光子聚合 (2PP) 技术设计和制造一个功能性、气密的整体式波纹管结构，该结构在刚性光敏聚合物中同时实现了传感和驱动功能。通过跨尺度原型制作、面向后处理的设计以及快速制造验证，研究人员克服了微尺度增材制造中的特定挑战。获得的经验教训强调了在微尺度上，增材制造设计 (DfAM) 需要扩展至包括后处理和系统集成考量，并且通过几何拓扑实现功能整合的原则在此尺度上仍然适用。这项工作为将基于案例的见解推广到更广泛的微尺度DfAM方法论中提供了基础。