树脂 3D 打印机具有较高的精度，可用于生产防水部件，是制造微型流体传输系统（即毫流体）的最新前沿技术。复杂芯片由直径小于一毫米的网络通道组成，可在实验科学设备中有效混合流体、分离悬浮材料以及提供许多其他功能。毫流体芯片可应用于生物技术、化学工程和制药工程。因此该芯片能够在教育机构培养下一代科学家和医生的过程中发挥至关重要的作用。

在全球范围内，大多数毫流体通道均采用了光刻掩模制造工艺，即在玻璃板上以 2.5D 图案选择性地蚀刻凹槽。使用这种工艺外包流体设计的定制制造工作通常涉及高昂的成本（将传统光刻技术引入自有实验室同样需要投入巨额成本），因此并非一种经济或省时的方法。而增材制造技术则为按需快速生产功能性毫流体芯片提供了一种解决方案。在不增加任何额外成本的情况下，定制芯片的制造成本可与通用芯片相同。凭借 Formlabs 的 SLA 3D 打印机，企业只需数个小时就能按需生产芯片，而无需进行大宗采购并浪费运输时间。

Formlabs 树脂库中包含了生物相容性、耐高温性和光学透明性树脂，可面向许多采用毫流体技术的领域提供特定的材料解决方案。

微流体是这些应用的另一个术语，特指比本报告所涉及的更小尺寸通道。

在所有采用毫流控工作流程的领域中，芯片材料必须具备某些性能，才能在实验中发挥作用。

• 光学清晰度可方便工作人员对流体的行为和通道性能进行视觉确认和评估。此类材料的内部必须具备光学透明性，且表面应易于抛光。Form 4 系列 3D 打印机能够使用 Clear Resin 打印出极高透明度的部件，确保能清晰观察混合通道内的情况。
• 生物相容性是生物学和医学领域的一项重要参数，其中芯片需要具有惰性和无毒性。BioMed Clear Resin 是一种透明的生物相容性材料，可通过 Formlabs SLA 3D 打印机打印，适用于制造毫流控芯片。 
• 高精度是在芯片中嵌入亚毫米级通道的必要条件。某些 3D 打印类型，甚至是一些低端 SLA 打印机，通常都无法打印出亚毫米级通道。即便是像 Formlabs SLA 打印机这样的高性能设备，打印方向也至关重要，以确保通道不会完全固化堵塞。
• 其坚固程度应足以承受标准连接器硬件的连接和断开操作。目前已有数十种不同的系统和平台可用于毫流控研究，这也意味着有数十种不同的适配器和连接器可供使用。确保针对您的设置购买正确的芯片和连接器并非易事，而且可能还会限制可用芯片的类别。您可以通过自行打印芯片设计自己的连接器，并确保任何设计都能与系统连接。

与传统的芯片生产方法相比，增材制造技术具有许多优势。第一个也是最重要的优势就是，内部 3D 打印有助于节省相关成本。订购定制型毫流控芯片通常会导致成本过高，并且可能需要花费最多两个月的时间才能拿到原型。相反，SLA 3D 打印机可以在实验室中打印您所需的任何几何结构，且仅需数小时而非数月即可打印完毕。

标准蚀刻玻璃毫流控芯片即便仅实现基本功能，成本也要 70 美元以上。但在许多情况下，3D 打印可以将成本降低一个数量级。使用 24.86mL Clear Resin 在 Form 4 中打印一个毫流控芯片，约需 1 小时 20 分钟（具体时长取决于尺寸和定向）。对于更薄、更小的部件，打印时间会更短。

毫流控芯片需要极致精度。Form 4 水平精度为 50µm，打印部件 尺寸公差为 ±0.15% XY，且在整个构建平台上保持高度一致。

稳定的生产方式是确保毫流控芯片按预期时间和规格生产的关键。打印失败可能意味着工作中断，造成时间与资源浪费。据全球领先的独立产品测试机构的测试数据显示，Form 4 的打印成功率高达 98.7%，而基准打印机的打印失败率是 Form 4 的 10－20 倍。对于需要可靠、精准且无需人工过多干预的专业人士而言，可靠性至关重要。Form 4 不仅可以节省树脂、耗材、时间和人力成本，还能避免因打印问题导致的麻烦和截止日期延误。

Formlabs 工程团队设计、打印并测试了两种基本的毫流控几何结构。测试混合器时，使用的是溶于自来水的标准食用色素。一个注射器填充有黄色色素，而另一个填充有蓝色色素。将每种颜色的水注射到混合端口中。然后将混合物投射到一个白色表面上，以便观察混合物的均匀性。

在这个实验中，工作人员可以观察到层流与湍流。在狭窄的通道中，有色液体倾向于以层流方式沿通道方向并排流动；由于颜料的扩散，两种颜色会逐渐混合。随着通道横截面的增大，垂直于通道的漩涡和水流会造成混沌混合或湍流混合。

在实验中，我们发现不同的混合器几何结构会影响流体的混合模式。

大通道和小通道 Y 型混合器的效果都很好，两种液体均充分混合。借助食用色素，我们可以观察到通道中液体混合的时间、位置和均匀程度。

在这两个 Y 型混合器中，不仅通道清晰，液体也能按预期混合。宽通道使得液体能够立即混合，形成一种充分混合的绿色液体。而窄通道的混合器则使两种液体更为缓慢地混合。我们可以根据所需的结果轻松调整混合模型的长短以及通道尺寸。

两个 Y 型混合器都是直接在构建平台上垂直打印而成。从打印机中取出构建平台后，工作人员直接将异丙醇 (IPA) 泵入通道。然后，将部件从构建平台上取下，并在 Form Wash 中清洗 10 分钟。

这一过程可确保至少一半的打印成功率，并能够使液体混合。因此，为了保证成功打印，我们建议任何芯片都需要至少打印两个模型。

3D 通道突出了内部 3D 打印毫流控模型这一独特而强大的功能。尖锐的 3D 特征可以干扰狭窄通道中的层流，并协助设计人员控制流体混合的时间和方式。

在内部自行制造芯片时，需要注意一些设计技巧。

在 3D 打印的毫流控芯片中，通道可以采用任何三维路径。相比之下，蚀刻的玻璃通道仅限于采用二维平面和矩形横截面形状。

由于打印单个芯片的成本较低，内部毫流控打印提供了不断尝试 3D 通道的机会。

在特征极小的情况下，仅靠肉眼区分不同原型版本就变成了一项挑战，这也意味着添加标签十分重要。当不同版本的芯片混淆在一起时，很有可能无法轻易区分，而且可能会耗费大量的工程时间。如果将标签直接集成到打印中，就可以有效减少模糊性和错误。标签可以直接在 Formlabs 的免费打印准备软件 PreForm 中压印。点击此处了解有关添加浮雕标签的更多信息。

无论现有的毫流控系统类型如何，您都可以将定制连接器直接打印到芯片内，无需使用粘合剂和粘结剂，避免使用过程中出现分层问题。只要公差设计合理，这些连接器可承受数百次与系统的连接操作。

标准化流体传输连接器主要用于医疗领域。注射器系统中就可以使用常见的连接器，并可将其用于手动测试芯片。对于非标准连接器，3D 扫描仪可将设计输入 CAD 软件，然后轻松进行完善和打印。

许多毫流控芯片系统采用夹钳与 O 型环相结合的方式连接芯片，并在芯片顶部表面设有一个开放端口。3D 打印芯片可以轻松模拟这种端口样式，以便与现有系统连接；甚至可以在端口面上添加几何结构，以便更好地与 O 型环和夹钳头连接。

凭借 3D 打印实现的超高几何自由度，毫流控芯片设计人员能够在不增加成本的情况下创建任何三维通道形状。

测试表明，他们可以稳定一致地构造直径为 700μm 的圆形通道，而最佳的芯片设计尺寸为 500μm。遵循建议的后处理程序将有助于防止通道中的残留液态树脂固化。

进一步的测试表明，圆形截面通道比三角形截面等具有尖锐边缘和急转弯的通道更易于实现正确打印。在设计使用 SLA 技术进行打印的芯片时，应尽量保证通道为直径较小的圆形。如果需要用到特殊形状，可适当增大尺寸以确保打印成功。

对于 SLA 等功能强大的技术，我们可以调整多种参数，以获得具有理想性能的毫流控芯片。在测试中，我们确定了最佳材料、打印设置、清洗和后固化程序，从而打印出性能最优越的芯片。这些方案可与 Form 3 和 Form 4 系列 3D 打印机配合使用。

为了进行测试，我们设计了一个具有四个不同直径通道的模型，其中每个通道的直径依次递减，分别为 900 微米、700 微米、500 微米和 300 微米。能让更小直径通道成型且允许流体通过的方法，即为最佳实践。

全部测试芯片均使用 Clear Resin 以 100μm 和 50μm 层高设置进行打印。结果如下：我们建议使用 50μm 层高进行打印，以便在大多数方向上构造出 700μm 宽的通道。

Formlabs 有多种光学透明树脂可供选择。尽管 Clear Resin（一种通用树脂）非常适合原型制作，但 BioMed Clear Resin 和 High Temp Resin 也可以为常见的毫流控应用提供所需的属性：

• BioMed Clear Resin 是一种可高压灭菌的生物相容性材料，坚硬、强韧、耐磨。BioMed Clear Resin 还支持以 50μm 的层高进行打印，以获得超精确的通道几何结构。
• High Temp Resin 可耐受冷却应用中的高温（如带有集成冷却通道的热压成型模具），并能以 25μm 的层高进行打印，以获得最平滑的通道轮廓。

我们测试了数十种不同的后处理技术，以找到适合构造毫流控芯片中微小通道的最佳程序。这些步骤将帮助您成功打印狭窄通道：

1. 从打印机上取下构建平台，并立即将其放入 Form Wash。使用填充 IPA 的注射器冲洗通道。
2. 将部件放入注入新的或非常纯净的 IPA 的 Form Wash 中，并开始 10 分钟的清洗周期。在此阶段，即使极少的光线照射也很有可能会造成通道密闭。
3. 使用装有 IPA 的注射器再次冲洗并彻底清洁通道。我们使至少 50mL 的液体流经直径小于 1mm 的通道，从而得到了不错的效果。
4. 完成后，立即使用干净的注射器虹吸出通道内的剩余树脂。
5. 将芯片从构建平台上取下，再次开始清洗周期，清洗 10 分钟。
6. 用注射器向清洗过的通道内注入空气，直至通道内明显清洁且无剩余液体。

与大多数增材制造工艺一样，SLA 部件有时会在打印后产生轻微翘曲。但对于像毫流控技术等有精密要求的应用，尺寸精度是成功的关键因素。芯片在构建平台上的方向会对部件的冷却和翘曲产生很大的影响。

测试表明，垂直打印时，毫流控芯片的翘曲程度最小。用户可能需要打印几个不同版本的芯片，才能找到最适合其几何结构的通道。在以一定角度打印时，轻触式支撑意味着能够将芯片表面的损坏程度和残留物含量降至最低。

在许多应用中，芯片打印完成后，实现光学清晰度对于观察实验和操作芯片至关重要。

最佳的表面处理方法是将打磨与涂层相结合。首先用 #220 砂纸打磨部件表面，然后逐步提高到 #1000 砂纸。将砂纸放在平坦的表面上，用砂纸打磨部件是确保部件保持平整的好方法。

打磨后，我们建议使用三种涂层：Rustoleum 2X 光泽清漆、SprayMax 汽车清漆和一层未固化树脂。对于版本较旧的 SLA 打印机，如 Form 2，可能需要使用透明涂层。

这三种涂层都可以在不同程度提高部件的光学清晰度，其中树脂涂层的表面最为光滑，因此也最清晰。不过，由于存在弯月面，芯片边缘可能会有一定程度的变形。

固化树脂涂层还需要采用额外步骤：部件必须进行第二个固化周期。过度后固化会增加脆性，从而影响连接器和端口的强度。由于使用 Form 4 和 Form 3 打印的 Clear Resin 部件具有较高的光学清晰度，因此在使用前通常无需对芯片使用涂层。

对于小型初创企业或研究实验室来说，定制毫流控芯片的成本非常高昂。而 3D 打印技术使研究人员能够按需定制几何结构，不再受制于外包芯片制造。Form 4 完全有能力构造一系列毫流控芯片几何结构，单件打印成本远低于传统工艺。

借助 Form 4，桌面级 3D 打印从未如此简单。可申请免费样品部件亲自评估效果，或联系销售团队了解更多信息。