超高精度3D打印技術(shù)是制造精密生物醫(yī)學(xué)和光子設(shè)備的關(guān)鍵推動(dòng)力。然而，現(xiàn)有的打印技術(shù)受到其低效率和高成本的限制。據(jù)《3D打印商情》了解，香港中文大學(xué)（CUHK）機(jī)械與自動(dòng)化工程系的陳世智教授及其團(tuán)隊(duì)與勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室合作，開發(fā)了飛秒投影3D打印工藝，以發(fā)展雙光子光刻技術(shù)，因此也就是縮寫“FP-TPL打印技術(shù)”。他們的成果最近發(fā)表在《科學(xué)雜志》上。
新工藝通過時(shí)間聚焦控制激光光譜——這是一種利用多光子快速捕獲整個(gè)平面而不是單個(gè)點(diǎn)的顯微鏡技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了雙光子聚合技術(shù)（2PP或TPP）的“平面”方法。在3D打印中，激光固化過程以并行的逐層方式執(zhí)行，而不是逐點(diǎn)寫入。這項(xiàng)新技術(shù)可將打印速度大幅提高1,000-10,000倍，并將成本降低98％。這充分說明了他們的技術(shù)突破，更將納米級3D打印帶入了一個(gè)新時(shí)代。
常規(guī)的納米級3D打印技術(shù)（即雙光子聚合（TPP或2PP））以逐點(diǎn)掃描方式運(yùn)行。因此，即使是一厘米大小的物體，也可能需要幾天到幾周的時(shí)間才能完成制造（制造速度約為0.1 mm^3 /小時(shí)）。該過程既費(fèi)時(shí)又昂貴，這妨礙了實(shí)際和工業(yè)應(yīng)用。為了提高速度，通常犧牲成品的分辨率。
陳世智教授和他的團(tuán)隊(duì)通過利用時(shí)間聚焦的概念克服了這一難題，該方法是在焦平面上形成可編程的飛秒光片，用于并行納米寫入。這等效于在焦平面上同時(shí)投影數(shù)百萬個(gè)激光焦點(diǎn)，從而取代了僅在一個(gè)點(diǎn)聚焦和掃描激光的傳統(tǒng)方法。換言之，F(xiàn)P-TPL技術(shù)可以在點(diǎn)掃描系統(tǒng)制造點(diǎn)的時(shí)間內(nèi)制造整個(gè)平面。
飛秒投影3D打印或FP-TPL成為顛覆性技術(shù)的原因在于，它不僅可以極大地提高速度（大約10-100 mm^3 /小時(shí)），而且還可以提高分辨率（橫向和軸向大約140 nm / 175 nm ），并降低了成本（降低至1.5美元/mm^3）。陳世智教授指出，TPP系統(tǒng)中的典型硬件包括飛秒激光源和光掃描設(shè)備，例如數(shù)字微鏡設(shè)備（DMD）。由于TPP系統(tǒng)的主要成本是典型壽命約為20,000小時(shí)的激光源，因此，將制造時(shí)間從幾天縮短到幾分鐘可以極大地延長激光壽命，并將平均打印成本從88美元/ mm^3降低到1.5美元 / mm3 ——減少了98％。
由于點(diǎn)掃描過程緩慢且缺乏打印支撐結(jié)構(gòu)的能力，因此傳統(tǒng)的TPP系統(tǒng)無法制造大型復(fù)雜且懸垂的結(jié)構(gòu)。 FP-TPL技術(shù)以其高打印速度克服了這一局限性，即部分聚合的零件可以在液態(tài)樹脂中漂移之前迅速連接在一起，從而可以制造大規(guī)模的復(fù)雜懸垂結(jié)構(gòu)，如圖1所示。
陳世智教授說，F(xiàn)P-TPL技術(shù)可以使許多領(lǐng)域受益。例如，納米技術(shù)、先進(jìn)的功能材料、微型機(jī)器人以及醫(yī)療和藥物輸送設(shè)備。由于FP-TPL技術(shù)顯著提高了速度并降低了成本，因此它有可能在將來實(shí)現(xiàn)商業(yè)化并在各個(gè)領(lǐng)域廣泛采用，從而制造出中型到大型設(shè)備。
圖1.通過FP-TPL打印具有亞微米分辨率的復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)。 （A到C）具有亞微米級特征的毫米級結(jié)構(gòu)，支撐在反射表面頂部的美分硬幣上。在8分20秒內(nèi)打印了2.20 mm×2.20 mm×0.25 mm長方體，表明3D打印速度為8.7 mm^3 /小時(shí)。而點(diǎn)掃描技術(shù)將需要幾個(gè)小時(shí)才能打印出該長方體。（D）通過2D層堆疊打印的3D微型柱，顯示出打印的均勻性與商業(yè)串行掃描系統(tǒng)基本一致。 （E和F）通過單層投影打印的螺旋結(jié)構(gòu)，表明能夠在單位毫秒的時(shí)間范圍內(nèi)快速打印曲線結(jié)構(gòu)而無需任何平臺(tái)移動(dòng)的能力。 （從G到J）通過拼接多個(gè)2D投影來突出顯示的3D結(jié)構(gòu)，表明具有打印深度分辨特征的能力。 （G）具有90°懸垂角的橋結(jié)構(gòu)，由于其相對于最小特征的尺寸和亞微米特征分辨率而言懸垂較大，因此使用點(diǎn)掃描TPL技術(shù)或其他任何技術(shù)來打印都具有挑戰(zhàn)性。
常規(guī)的納米級3D打印技術(shù)（即雙光子聚合（TPP或2PP））以逐點(diǎn)掃描方式運(yùn)行。因此，即使是一厘米大小的物體，也可能需要幾天到幾周的時(shí)間才能完成制造（制造速度約為0.1 mm^3 /小時(shí)）。該過程既費(fèi)時(shí)又昂貴，這妨礙了實(shí)際和工業(yè)應(yīng)用。為了提高速度，通常犧牲成品的分辨率。
陳世智教授和他的團(tuán)隊(duì)通過利用時(shí)間聚焦的概念克服了這一難題，該方法是在焦平面上形成可編程的飛秒光片，用于并行納米寫入。這等效于在焦平面上同時(shí)投影數(shù)百萬個(gè)激光焦點(diǎn)，從而取代了僅在一個(gè)點(diǎn)聚焦和掃描激光的傳統(tǒng)方法。換言之，F(xiàn)P-TPL技術(shù)可以在點(diǎn)掃描系統(tǒng)制造點(diǎn)的時(shí)間內(nèi)制造整個(gè)平面。
圖2.打印納米線展示了FP-TPL的納米級分辨率。 （A）在不同條件下打印的懸浮納米線的寬度（沿橫向）和（B）高度（沿軸向）。投影的DMD模式的線寬從3像素更改為6像素，固定周期為30像素。每個(gè)像素（px）映射到151 nm的投影圖像中。標(biāo)簽HP、MP和LP分別表示高（42 nW / px），中等功率（39 nW / px）和低功率水平（35 nW / px）。特定形狀的所有標(biāo)記表示以相同的功率級別生成的數(shù)據(jù)點(diǎn)，并且特定顏色的所有標(biāo)記表示相同的線寬。使用中心波長為800 nm，標(biāo)稱脈沖寬度為35 fs的飛秒激光和60×1.25數(shù)值孔徑的物鏡進(jìn)行打印。 （C和D）懸浮納米線特征的掃描電子顯微鏡圖像。
飛秒投影3D打印或FP-TPL成為顛覆性技術(shù)的原因在于，它不僅可以極大地提高速度（大約10-100 mm^3 /小時(shí)），而且還可以提高分辨率（橫向和軸向大約140 nm / 175 nm ），并降低了成本（降低至1.5美元/mm^3）。陳世智教授指出，TPP系統(tǒng)中的典型硬件包括飛秒激光源和光掃描設(shè)備，例如數(shù)字微鏡設(shè)備（DMD）。由于TPP系統(tǒng)的主要成本是典型壽命約為20,000小時(shí)的激光源，因此，將制造時(shí)間從幾天縮短到幾分鐘可以極大地延長激光壽命，并將平均打印成本從88美元/ mm^3降低到1.5美元 / mm3 ——減少了98％。
由于點(diǎn)掃描過程緩慢且缺乏打印支撐結(jié)構(gòu)的能力，因此傳統(tǒng)的TPP系統(tǒng)無法制造大型復(fù)雜且懸垂的結(jié)構(gòu)。 FP-TPL技術(shù)以其高打印速度克服了這一局限性，即部分聚合的零件可以在液態(tài)樹脂中漂移之前迅速連接在一起，從而可以制造大規(guī)模的復(fù)雜懸垂結(jié)構(gòu)，如圖1所示。
陳世智教授說，F(xiàn)P-TPL技術(shù)可以使許多領(lǐng)域受益。例如，納米技術(shù)、先進(jìn)的功能材料、微型機(jī)器人以及醫(yī)療和藥物輸送設(shè)備。由于FP-TPL技術(shù)顯著提高了速度并降低了成本，因此它有可能在將來實(shí)現(xiàn)商業(yè)化并在各個(gè)領(lǐng)域廣泛采用，從而制造出中型到大型設(shè)備。
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