新技术将3-D打印速度提高了1000到10,000倍

 
超高精度3D打印技术是制造精密生物医学和光子设备的关键推动力。然而，现有的打印技术受到其低效率和高成本的限制。香港中文大学(CUHK)机械与自动化工程系的陈世池教授及其团队与劳伦斯·利弗莫尔国家实验室合作开发了飞秒投影两光子平版印刷术(FP-TPL)打印技术。
通过临时聚焦控制激光光谱，可以以并行的逐层方式执行激光3-D打印过程，而不是逐点写入。这项新技术可将打印速度大幅提高1,000-10,000倍，并将成本降低98%。该成果最近发表在《科学》杂志上，肯定了其技术突破，将纳米级3D打印带入了一个新时代。
常规的纳米级3D打印技术，即双光子聚合(TPP)，以逐点扫描方式运行。因此，即使是一厘米大小的物体，也可能需要几天到几周的时间才能完成制造(制造速度约为0.1 mm3 /小时)。该过程既费时又昂贵，这妨碍了实际和工业应用。为了提高速度，通常牺牲成品的分辨率。 Chen教授和他的团队通过利用时间聚焦的概念克服了这一难题，该方法是在焦平面上形成可编程的飞秒光片，用于并行纳米写入。这等效于在焦平面上同时投影数百万个激光焦点，从而取代了仅在一个点聚焦和扫描激光的传统方法。换句话说，FP-TPL技术可以在点扫描系统制造点的时间内制造整个平面。
通过FP-TPL打印具有亚微米分辨率的复杂3D结构。 (A到C)具有亚微米级特征的毫米级结构，支撑在反射表面顶部的美分硬币上。在8分20秒内打印了2.20 mm×2.20 mm×0.25 mm长方体，表明3D打印速度为8.7 mm3 /小时。相反，点扫描技术将需要几个小时才能打印出该长方体。 (D)通过堆叠2D层进行打印的3D微柱，这表明打印的均匀性与商业级串行扫描系统没有区别。 (E和F)通过单层投影印刷的螺旋结构，表明能够在几毫秒毫秒的时间范围内快速印刷曲线结构而无需任何平台移动。 (从G到J)通过缝合多个2D投影来突出显示的3D结构，表明具有打印深度解析特征的能力。 (G)中具有90°悬垂角的桥结构，由于其相对于最小特征的尺寸和亚微米特征分辨率而言悬垂较大，因此使用点扫描TPL技术或其他任何技术来印刷都具有挑战性。图片来源：香港中文大学(CUHK)图2.展示FP-TPL纳米级分辨率的印刷纳米线。 (A)在不同条件下印刷的悬浮纳米线的宽度(沿横向)和(B)高度(沿轴向)。投影的DMD图案中的线宽从3像素更改为6像素，固定周期为30像素。每个像素(px)映射到投影图像中的151 nm。标签HP，MP和LP分别表示高(42 nW / px)，中(39 nW / px)和低(35 nW / px)功率水平。特定形状的所有标记表示以相同的功率级别生成的数据点，并且特定颜色的所有标记表示相同的线宽。使用中心波长为800 nm，标称脉冲宽度为35 fs的飞秒激光和60×1.25数值孔径的物镜进行打印。 (C和D)悬浮纳米线特征的扫描电子显微镜图像。图片来源：香港中文大学(CUHK)
FP-TPL之所以成为颠覆性技术，是因为它不仅可以极大地提高速度(大约10-100 mm3 /小时)，而且还可以提高分辨率(横向和轴向大约140 nm / 175 nm)并降低成本(US $ 1.5 / mm3)。陈教授指出，TPP系统中的典型硬件包括飞秒激光源和光扫描设备，例如数字微镜设备(DMD)。由于TPP系统的主要成本是激光源，典型的使用寿命约为20,000小时，因此，将制造时间从几天缩短到几分钟可以极大地延长激光寿命，并将平均印刷成本从88美元/ mm3降低到1.5美元。 / mm3 –减少了98%。
由于点扫描过程缓慢且缺乏打印支撑结构的能力，因此传统的TPP系统无法制造大型复杂且悬垂的结构。 FP-TPL技术以其高印刷速度克服了这一局限性，即部分聚合的零件可以在液态树脂中漂移之前迅速连接在一起，从而可以制造大规模的复杂悬垂结构，如图2所示。图1(G)。陈教授说，FP-TPL技术可以使许多领域受益。例如，纳米技术，先进的功能材料，微型机器人以及医疗和药物输送设备。由于FP-TPL技术显着提高了速度并降低了成本，因此它有可能在将来实现商业化并在各个领域广泛采用，从而制造出中型到大型设备。