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新型打印技术,速度超越3D打印1000倍,完成作品仅需几秒

  • qwertt
  • 3
  • 2019-10-09 23:02

3D打印技术直接将所要的零件或者成品生产出来,在节省时间的同时,更能节省原材料,符合全世界的环保趋势。因为原材料和技术的限制等多方面的原因,3D打印技术还没有普及。3D打印技术还有很长的路需要走!

2019年10月4日,世界顶级期刊Science在线发表了美国工程材料与制造中心国家实验室的Sourabh K. Saha团队和香港中文大学的Shih-Chi Chen团队关于3D打印技术的最新研究成果——Scalable submicrometer additive manufacturing。

研究预览:高通量的制造技术可以产生任意复杂的具有纳米尺度特征的三维结构,这在广泛的应用领域是非常理想的。基于双光子光刻(TPL)的亚微米添加剂制造是填补这一空白的非常有前途的候选之一。然而TPL的串行逐点写入方案在应用层面来讲还是太慢,不能满足规模化的要求。并行化的尝试的结果也不理想:要么没有亚微米分辨率,要么无法模拟复杂的结构。香港中文大学的Shih-Chi Chen团队和美国工程材料与制造中心国家实验室的Sourabh K. Saha团队通过在空间和时间上聚焦超快激光来实现基于投影的逐层并行化来克服这些困难。研究表明这种方法将吞吐量提高了三个数量级,并扩展了几何设计空间。该团队还通过印刷的方法证明了实验结果在个位数的毫秒范围内,宽度小于175nm的纳米线的面积比横截面积大100万倍。

纳米级器件的发展需要任意复杂三维结构的纳米材料制造。以光聚合为基础的亚微米级添加剂制造双光子光刻(TPL)技术生成具有200nm规模的3D结构。生产速度快于高分辨率二维技术如电子束光刻。TPL依赖于非线性双光子吸收生成小于衍射极限聚焦光斑特性。这种特殊的性质能够用来制造功能性的微纳米级的三维结构如光子晶体、机械超材料、微机械、微型光化学、柔性电子和生物支架。连续扫描光敏聚合物中聚焦紧密的激光点,通过重叠单个亚微米体积像素,这也是最常用的安装启用设备。这种缓慢而又连续的编写方案使得大规模生产变得不切实际。因此TPL的采用主要被局限于学术研究和实验室中,在实际应用中非常小。Shih-Chi Cheney团队证明了在不影响亚微米分辨率的情况下,基于飞秒投射的并行TPL处理可以显著提高2-3个数量级的速率。该文章的方法允许进入设计空间中难以探索的区域,增加了低成本高通量处理的潜力和打印对象的几何复杂性。

该团队使用从小于1mm到大于4mm不等的二维图形层的逐层打印来制作3D结构,每个2D层的大小为165mm*165mm,写入时间尺度为毫秒。该团队通过投射一个图形化的2D光片来生成如此薄的2D层,同时聚焦于空间和时间域。通过数字微镜设备(DMD)将光片打造成任意的二维图案,利用飞秒激光的宽带特性和DMD的衍射来实现时域聚焦。在时间聚焦过程中,一个预先拉伸的超短光脉冲在经过光敏聚合物光刻胶时逐渐缩短,从而使最短的脉冲只在空间焦平面上实现。通过时间聚焦产生的强度梯度确保了文字在空间上局限于焦平面,而不会引起焦平面上下的聚合。没有时间聚焦,深度分辨率就会丢失。投射光束路径中的所有材料都聚合在一起形成厚的挤压固体结构,不是形成非常薄的薄片。

图一:基于时空飞秒的投影技术(FP-TPL)

文章中还写到使用激光光源产生了具有宽波长光谱(大约几十纳米)的近红外飞秒脉冲,为后面的书写过程提供了光。通过照亮数字掩模来模拟光束,数字掩模是一组单独可切换的微镜。从一个微反射镜沿预定方向发出的光的强度在开启时是高的,在关闭时是低的。然后对从DMD发出的发散光束进行准直,准直后的光束通过物镜,聚焦在光阻材料内部的平面上。当投射到图像平面上时,来自DMD的开关点的光强度高于聚合阈值,在抗腐蚀剂中写入数字掩膜的像素化图像,这幅图像包含了不同的固化体素,使用移动聚焦成像平面来制作三维结构。

图二:飞秒投影技术打印亚微米级分辨率的复杂三维结构

虽然这种FP-TPL技术在方法上与单原子投影立体光刻技术相似,却是一种完全不同的投影机制。两者的差异解释了TP-TPL系统中使用的空间相干宽带激光光源。基于DMD的数字掩模由于其周期性的微镜阵列结构是一种色散元件,因此空间想干光发生衍射在撞击DMD时产生了几个不同的出射光束。再加上飞秒激光的宽带特性,不同波长的衍射光束以略微不同的角度出现。这种光的光谱分离伴随着脉冲宽度的拉伸,这是高功率超快激光器设计中被广泛利用的现象。

图三:印刷纳米线显示的FP-TPL的纳米级分辨率

通过改变投射线的厚度、光束功率和曝光时间,使得纳米线的横向和轴向尺寸都比光学衍射极限薄。印刷纳米线与横向宽度一样薄,可以达到130-140nm。该投影方案的一个特点是:一个连续投影特征的大小可以控制在一个很宽的范围内。投影特征尺寸的变化改变了光刻生成的特征尺寸与光学的比例关系。

图四:FP-TPL的速率和分辨率与传统TPL的比较

结果总结:FP-TPL的单层体积处理速率比现有的技术提高了至少三个数量级,同时保持了低于500nm的特性。该研究的3D打印速率超过最快的串行系统的多孔结构的90多倍,非多孔材料的450多倍。FP-TPL中的时间聚焦光片能够实现高的面外(轴向)分辨率。与串行写入技术相比,FP-TPL的另一个吸引人的特性是能够投影和打印曲线特征,而在分段线性路径离散化近似过程中不需要阶段加速和标记。面积投影机制还可以打印长悬空桥梁结构与悬垂结构。在长时间的打印过程中,因为特征漂移过程,悬垂结构的连续扫描打印是一个挑战,而该团队的FP-TPLde吞吐量、分辨率和模式灵活性能够轻易的实现这一点。这是一项有巨大潜力的技术,能够规模化的制造功能的微型和纳米结构如机械和光学材料、微光学等,可能会在电动交通工具、医疗、清洁能源、计算和通信等领域发挥巨大的作用。

DOI:10.1126/science.aax8760



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