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研究通过激光雕刻和3D打印技术在ABS和PETG材料上制造微通道，对比分析其几何精度、表面质量和尺寸一致性，发现激光雕刻在宽度控制上精准但深度和表面质量受材料热特性影响显著，而3D打印深度更优但表面粗糙。提供低成本微反应器加工的量化指导。
作者：Elizabeta Forjan、Marijan-Pere Markovi?、Cédric Guyon、Domagoj Vrsaljko
克罗地亚萨格勒布大学化学工程与技术学院
摘要
本研究探讨了使用激光雕刻和熔融丝材制造（FFF）3D打印技术在丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PETG）材料中制造微通道的方法，评估了其几何形状、表面质量和尺寸精度。测试板通过3D打印并使用不同线宽、深度和几何形状进行激光雕刻。通过3D激光扫描显微镜量化了通道尺寸和表面粗糙度，以评估激光功率、速度和路径方向的影响。激光雕刻产生的横向尺寸（宽度在标称值的±5–10%范围内）非常精确，但深度、锥度角和表面粗糙度存在变化，尤其是在弯曲通道中，这是由于能量分布不均匀和材料重新沉积所致。ABS测试板中的通道比PETG中的通道浅约70–75%，而PETG中的通道更深，锥度不对称性更大，这是由于熔融流动速度较高。相比之下，FFF 3D打印得到的通道深度一致（最深可达1532微米），表面更光滑（粗糙度Sa低至7–27微米），并且在直线和弯曲几何形状下都能可靠地发挥作用。比较分析突出了在实现通道尺寸和深度控制之间的权衡，为低成本微制造策略提供了定量见解。这些发现有助于选择适用于功能性微反应器的制造方法，特别是使用常见的热塑性塑料，并首次直接比较了通过激光雕刻和3D打印制造的微通道。
引言
增材制造（AM）是一系列从数字模型逐层构建结构的技术。它允许快速原型制作，并能在聚合物、金属和陶瓷中制造复杂的几何形状，已广泛应用于生物医学支架、微流控和功能性工程组件[1]。在金属领域，基于激光的AM技术（如直接激光金属沉积和激光熔化沉积）对其微观结构、机械性能和耐腐蚀性有着广泛的研究[2][3][4]。在聚合物材料中制造精确微结构的能力在工程和科学应用中变得越来越重要。特别是微通道在微流控、生物医学诊断设备、芯片实验室系统以及化学和生物研究的快速原型制作中起着核心作用[5][6][7]。这些设备的性能在很大程度上取决于通道的尺寸精度和表面质量，因为宽度、深度或边缘光滑度的偏差会显著影响流体动力学、光学性能和整体设备可靠性[8][9]。
激光雕刻是一种多功能、非接触式的方法，无需复杂的工具即可制造复杂的几何形状。与可能产生颗粒碎屑的机械加工或可能留下残留化学物质的化学蚀刻不同，激光加工能够快速且可重复地进行雕刻，同时将污染风险降到最低，这对基于聚合物的基底尤为重要[10][11]。最近的研究利用超短脉冲激光和先进的机器学习方法优化了基于激光的微制造，以提高聚合物和金属的精度、吞吐量和表面质量[12][13][14][15]。然而，激光雕刻的精度不仅取决于激光系统本身，还取决于所选聚合物的热学和机械性能。工艺参数与材料响应之间的相互作用直接影响可实现的精度和制造微通道的一致性[16][17]。丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PETG）是工程和原型制作中广泛使用的两种热塑性塑料，它们各自具有不同的机械和热性能组合，这影响了它们是否适合激光雕刻。ABS是一种无定形热塑性塑料，以其韧性、抗冲击性和易于加工而闻名。它结合了丙烯腈和苯乙烯的刚性以及聚丁二烯的弹性，形成了一种机械强度高的材料，但在受热时容易局部熔化。虽然这使ABS适合用于结构部件，但在制造精细特征时可能会遇到挑战，因为局部加热可能导致熔化、变形或尺寸偏差[18][19]。相比之下，PETG是聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）的改性衍生物，以其光学透明度、化学抗性和生物相容性而受到重视。其较低的脆性和光滑的表面特性使其适用于生物医学和流体设备。然而，其相对较低的玻璃化转变温度增加了激光雕刻过程中边缘不规则处发生热变形的风险[20][21]。ABS和PETG在热学和机械性能上的差异突显了比较它们激光雕刻性能的重要性，有助于了解材料属性如何影响微通道特征的精度和质量。激光雕刻已成为一种有吸引力的聚合物加工技术，因为它能够快速制造复杂的几何形状，而无需物理工具。其非接触性质减少了机械损伤的风险，同时可以通过调整功率、扫描速度和扫描次数等参数来获得宽泛的加工范围[22][23]。尽管有这些优势，但由于聚合物对热敏感，在聚合物基底上实现尺寸精度仍然是一个重大挑战。当暴露在激光束下时，聚合物可能会发生局部熔化、汽化和再固化，从而改变预期的雕刻几何形状[24]。常见的问题包括通道过度变宽、深度轮廓不规则、形成锥度以及边缘出现受热影响区域。表面质量也可能受到影响，粗糙度或重新沉积的材料会影响功能性能，特别是在需要光滑和尺寸精确的微流控和生物医学应用中[25][26]。这些效应的程度受到聚合物内在属性和所选加工参数的强烈影响。例如，玻璃化转变温度、热导率和熔化时的粘度差异意味着两种聚合物在相同激光设置下可能会表现出非常不同的精度和表面形态[27][28]。这强调了系统地研究ABS和PETG的必要性，以系统评估工艺变量如何控制激光制造通道的质量。
与此同时，增材制造（3D打印）因其灵活性、成本效益以及能够直接从数字设计创建复杂几何形状的能力而成为生产聚合物微结构的广泛采用的技术。特别是熔融丝材制造（FFF）可以使用ABS和PETG等易获得的材料来制造原型和最终的功能设备[29][30]。然而，逐层沉积过程在分辨率和表面光洁度方面存在局限性，通常会导致可见的层线、不均匀的通道截面和较高的表面粗糙度，与减材方法相比[31][32]。这些因素会显著影响打印通道内的流动特性，因此了解它们与激光雕刻等替代制造技术的区别非常重要。虽然3D打印和激光雕刻都可以用于在聚合物基底中制造微通道，但它们在定义几何形状和表面纹理的机制上存在根本差异。因此，直接比较这两种方法可以提供有关制造策略如何影响通道精度、截面轮廓和表面形态的宝贵见解[33][34]。
微通道是微流控和微反应器系统的结构基础，在化学合成、生物医学分析和环境监测等应用中，精确控制流体传输、混合和反应至关重要。这些通道的制造质量通过改变流动行为、混合效率和可重复性直接影响设备性能。尽管已经对聚合物的激光加工进行了广泛研究，但大多数现有工作集中在聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚碳酸酯（PC）或聚二甲基硅氧烷（PDMS）等专门材料上，这些材料通常用于微流控和光学领域[35]。这些研究表明激光参数如何影响雕刻几何形状、粗糙度和受热影响区域的程度，但结果往往特定于材料，难以推广。尽管ABS和PETG在工程、增材制造和生物医学领域有广泛应用，但对其的研究相对较少。现有的研究往往分别分析这些聚合物，而没有直接比较它们在不同激光雕刻条件下的不同热学和机械性能如何影响通道精度。此外，研究通常只是定性观察雕刻质量，而不是使用显微镜进行系统的、定量的尺寸精度评估。因此，目前仍缺乏对ABS和PETG在使用二极管激光加工时的性能进行比较的理解，特别是在通过3D打印制备这些材料的情况下。解决这一空白对于制定实用指南以优化这两种广泛可用热塑性塑料的工艺参数，从而实现可靠和可重复的微通道制造非常重要。
尽管对聚合物激光雕刻进行了大量研究，但在一致的激光雕刻和3D打印条件下对ABS和PETG的比较研究仍然有限。本研究通过系统地评估使用激光雕刻和FFF 3D打印在两种聚合物中制造的微通道来填补这一空白。本研究的主要目的是系统地比较使用激光雕刻和FFF 3D打印在ABS和PETG中制造的微通道，重点关注尺寸精度、截面轮廓和表面粗糙度。我们提供了尺寸精度、截面轮廓和表面粗糙度的定量分析，强调了材料属性和制造参数如何影响通道质量。这些发现为选择和优化功能性微反应器和微流控设备的低成本制造方法提供了实际指导。总体而言，这项工作展示了每种技术的优势和局限性，首次直接比较了ABS和PETG在聚合物微制造中的表现。
部分摘录
3D打印
测试板（750毫米×250毫米）使用Autodesk Fusion设计。数字模型在Bambu Studio（中国）中使用软件的默认切片预设为ABS和PETG准备打印。测试板使用配备0.4毫米喷嘴的Bambu P1S 3D打印机（中国Bambu Lab）制造。所有打印的层高均为0.08毫米。ABS丝材（AzureFilm，斯洛文尼亚）在喷嘴温度260°C和床温120°C的条件下打印，而PETG...
结果与讨论
制造的测试板成功进行了3D打印，随后使用不同线宽、深度和几何形状的受控图案进行了激光雕刻。ABS和PETG板的上表面都出现了清晰可见的线条，但这没有妨碍后续的激光雕刻。在激光雕刻过程中，观察到PETG板上的雕刻通道边缘有少量材料重新沉积，而在相同设置下ABS上的这种效应不那么明显。
结论
本研究系统地比较了激光雕刻和FFF 3D打印在ABS和PETG基底中制造微通道的效果。激光雕刻提供了精确的横向控制和可调的表面特征，但对通道深度和锥度均匀性对材料属性、几何形状和曲率的敏感性较高。相比之下，FFF 3D打印产生的通道深度一致且表面光滑，尽管横向分辨率受到喷嘴直径和层高的限制。
CRediT作者贡献声明
Elizabeta Forjan：写作——审阅与编辑、撰写初稿、可视化、验证、方法论、调查、形式分析、数据管理、概念化。Marijan-Pere Markovi?：写作——审阅与编辑、可视化、验证、方法论、形式分析、数据管理、概念化。Cédric Guyon：写作——审阅与编辑、验证、方法论、资金获取。Domagoj Vrsaljko：写作——审阅与编辑、可视化、验证、监督资助
本工作得到了克罗地亚科学基金会的支持，项目编号为HRZZ-DOK-NPOO-2023-10-1144、HRZZ-DOK-2021-02-5999、HRZZ-IP-2022-10-8004和Cogito-25/26-Vrsaljko。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
