企业新闻研究人员开发了一种纳米级3D打印技术 比传统的TPL技术快1000倍
更新时间: 2019-10-09 15:16:30 查看次数: 479
研究人员使用一种新的基于时间的方法来控制超快激光器发出的光，从而开发了一种纳米级3D打印技术，该技术可以在不牺牲分辨率的情况下，比传统的双光子光刻(TPL)技术快1000倍地制造微小的结构。尽管吞吐量很高，但新的并行化技术(称为飞秒投影TPL(FP-TPL))产生的深度分辨率为175纳米，这比已建立的方法更好，并且可以制造目前无法制造的具有90度悬垂的结构。该技术可能导致生物支架，柔性电子器件，电化学界面，微光学，机械和光学超材料以及其他功能性微结构和纳米结构的大规模生产。
这项工作于10月3日在《科学》杂志上报道，由劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(LLNL)和香港中文大学的研究人员完成。该论文的主要作者和通讯作者Sourabh Saha现在是佐治亚理工学院乔治W.伍德拉夫机械工程学院的助理教授。
现有的纳米级增材制造技术使用单点高强度光(直径通常在700到800纳米左右)将光敏聚合物材料从液体转换为固体。由于该点必须扫描整个所制造的结构，因此现有的TPL技术可能需要数小时才能生成复杂的3D结构，这限制了其在实际应用中按比例放大的能力。
萨哈说：“我们没有同时使用单个光点，而是同时投影了100万个点。” “这极大地扩展了过程，因为我们可以使用整个投影光平面，而不必使用必须扫描的单个点来创建结构。我们可以使用整个聚焦平面，而不用聚焦单个点。图案化为任意结构。”
为了创建一百万个点，研究人员使用类似于投影仪中使用的数字蒙版来创建图像和视频。在这种情况下，掩模控制飞秒激光在前驱体液态聚合物材料中产生所需的光图案。高强度光引起聚合反应，在需要时将液体变成固体，从而生成3D结构。
通过重叠3D空间中的多个投影生成的堆叠3D环形结构。通过这种深度解析的纳米级3D打印技术可以生成任意复杂的3D结构。
制成的结构的每一层都是由35飞秒的高强度光形成的。然后，使用投影仪和遮罩逐层创建，直到形成整个结构。然后除去液体聚合物，留下固体。FP-TPL技术使研究人员能够在八分钟内生产出一种结构，而使用早期工艺则需要花费数小时才能生产出这种结构。
LLNL工程材料与制造中心主任Chris Spadaccini表示：“已经开发出的并行双光子系统是纳米级印刷技术的突破，它将使可用尺寸的材料在这种尺寸规模的材料和结构中实现卓越的性能。”
与使用粒子喷涂到表面上的消费者3D打印不同，这项新技术深入到了液体前体中，可以制造仅靠表面加工无法生产的结构。例如，该技术可以产生Saha所说的“不可能的桥梁”，该桥梁具有90度的悬垂，并且长度与特征尺寸的长宽比超过1000：1。他说：“我们可以将光投射到材料中所需的任何深度，因此我们可以制作悬挂的3D结构。”
研究人员在基座之间打印了一毫米长的悬挂结构，该结构小于100微米乘以100微米。结构在制造时不会崩溃，因为液体和固体的密度大致相同，而且生产过程如此之快，以至于液体没有时间受到干扰。
除了桥梁之外，研究人员还选择了多种结构来演示该技术，包括微柱，长方体，圆木桩，线和螺旋。研究人员使用了常规的聚合物前体，但Saha认为，该技术也适用于可以由前体聚合物生成的金属和陶瓷。
他说：“真正的应用是在小型设备的工业规模生产中，这些设备可以集成到更大的产品中，例如智能手机中的组件。” “下一步是证明我们可以与其他材料一起打印以扩展材料调色板。”
通过缝合多个2D投影来突出显示的3D结构悬垂点，证明了打印深度解析特征的能力。具有90度悬垂的桥结构对于使用串行扫描TPL技术进行打印具有挑战性。
研究小组多年来一直致力于加速用于生产纳米级3D结构的双光子光刻工艺。该小组的成功来自采用一种不同的聚焦光的方法，即利用其时域特性，从而可以生产出具有高分辨率且具有微小特征的超薄光片。
飞秒激光的使用使研究小组能够保持足够的光强度，以触发双光子过程聚合，同时保持较小的点尺寸。在FP-TPL技术中，飞秒脉冲经过光学系统时会被拉伸和压缩，以实现时间聚焦。的过程中，其可以产生3d功能比衍射限制，聚焦小光点，需要两个光子同时击中液体前体分子。
萨哈说：“传统上，速度和分辨率之间需要权衡。” “如果您想要一个更快的过程，那么您将失去分辨率。我们已经打破了工程上的权衡，使我们能够以最小的功能将打印速度提高1000倍。”
萨哈打算在佐治亚理工学院继续使用新材料推进工作，并进一步扩大工艺流程。
他说：“到目前为止，我们已经表明我们可以在速度和分辨率上做得很好。” “接下来的问题将是我们如何很好地预测功能，以及我们如何能够很好地控制质量。这将需要更多的工作来理解过程本身。”
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