FP-TPL baserat på rumslig och tidsmässig fokusering. Kredit:CUHK
Ultraprecis 3-D-utskriftsteknik är en nyckelfaktor för tillverkning av biomedicinska och fotoniska precisionsenheter. Dock, den befintliga trycktekniken begränsas av dess låga effektivitet och höga kostnad. Professor Shih-Chi Chen och hans team från institutionen för maskin- och automationsteknik, Det kinesiska universitetet i Hong Kong (CUHK), samarbetade med Lawrence Livermore National Laboratory för att utveckla Femtosecond Projection Two-foton Lithography (FP-TPL) utskriftsteknik.
Genom att styra laserspektrat via tidsfokusering, 3D-laserutskriftsprocessen utförs på ett parallellt lager-för-lager-sätt istället för punkt-för-punkt-skrivning. Denna nya teknik ökar utskriftshastigheten avsevärt med 1, 000–10, 000 gånger, och sänker kostnaden med 98 procent. Prestationen har nyligen publicerats i Vetenskap , bekräftar dess tekniska genombrott som leder nanoskala 3-D-utskrift in i en ny era.
Den konventionella 3D-utskriftstekniken i nanoskala, dvs. två-foton polymerisation (TPP), fungerar punkt-för-punkt-skanning. Som sådan, även ett centimeterstort föremål kan ta flera dagar till veckor att tillverka (bygghastighet ~ 0,1 mm 3 /timme). Processen är tidskrävande och dyr, vilket förhindrar praktiska och industriella tillämpningar. För att öka hastigheten, upplösningen av den färdiga produkten offras ofta. Professor Chen och hans team har övervunnit det utmanande problemet genom att utnyttja begreppet tidsfokus, där ett programmerbart femtosekundsljusark bildas vid fokalplanet för parallell nanskrivning; detta motsvarar att samtidigt projicera miljontals laserhärdar vid fokalplanet, ersätta den traditionella metoden för fokusering och skanning av laser endast vid ett tillfälle. Med andra ord, FP-TPL-tekniken kan tillverka ett helt plan inom den tid som punktskanningssystemet tillverkar en punkt.
Fig. 1. Utskrift av komplexa 3D-strukturer med submikronupplösning via FP-TPL. (A till C) Struktur i millimeterskala med submikrometerfunktioner som stöds på en amerikansk penny ovanpå en reflekterande yta. Kuboidet på 2,20 mm × 2,20 mm × 0,25 mm skrevs ut på 8 min 20s, visar en 3D-utskriftshastighet på 8,7 mm3/timme. I kontrast, punktskanningstekniker skulle kräva flera timmar för att skriva ut denna kuboid. (D) En 3D -mikropillar tryckt genom stapling av 2D -lager, uppvisar enhetlighet för utskrift som inte kan skiljas från den för kommersiella seriella skanningssystem. (E och F) Spiralstrukturer tryckta genom projektion av ett enda lager som visar förmågan att snabbt skriva ut kurvlinjära strukturer inom ensiffriga millisekunders tidsskalor utan någon scenrörelse. (G till J) Överhängande 3D-strukturer som skrivs ut genom att sy flera 2D-projektioner som visar möjligheten att skriva ut djupupplösta funktioner. Brostrukturen i (G), med 90° överhängsvinklar, är utmanande att skriva ut med hjälp av punktskannande TPL-tekniker eller någon annan teknik på grund av dess stora överhäng i förhållande till storleken på den minsta funktionen och submikronfunktionsupplösningen. Kredit:The Chinese University of Hong Kong (CUHK)
Fig. 2. Tryckta nanotrådar som visar nanoskalaupplösning för FP-TPL. (A) Bredd (längs lateral riktning) och (B) höjd (längs axiell riktning) av upphängda nanotrådar tryckta under olika förhållanden. Bredden på linjerna i det projicerade DMD-mönstret varierades från 3 till 6 pixlar med en fast period på 30 pixlar. Varje pixel (px) kartlägger till 151 nm i den projicerade bilden. Etiketter HP, MP, och LP hänvisar till hög (42 nW/px), medium (39 nW/px), och låga (35 nW/px) effektnivåer, respektive. Alla markörer med en specifik form representerar datapunkter som genereras vid samma effektnivå, och alla markörer av en specifik färg representerar samma linjebredd. Utskrift utfördes med en femtosekundlaser som hade en centrumvåglängd på 800 nm och en nominell pulsbredd på 35 fs och med ett objektiv med 60 × 1,25 numerisk bländare. (C och D) Skanningselektronmikroskopbilder av de suspenderade nanotrådsfunktionerna. Kredit:The Chinese University of Hong Kong (CUHK)
Det som gör FP-TPL till en störande teknik är att den inte bara förbättrar hastigheten kraftigt (cirka 10–100 mm 3 /timme), men förbättrar också upplösningen (~140 nm / 175 nm i laterala och axiella riktningar) och minskar kostnaden (1,5 USD/mm) 3 ). Professor Chen påpekade att typisk hårdvara i ett TPP -system inkluderar en femtosekundig laserkälla och ljusskanningsenheter, t.ex., digital mikrospegelenhet (DMD). Eftersom huvudkostnaden för TPP-systemet är laserkällan med en typisk livslängd på ~20, 000 timmar, Att minska tillverkningstiden från dagar till minuter kan avsevärt förlänga laserns livslängd och indirekt minska den genomsnittliga utskriftskostnaden från 88 USD/mm 3 till 1,5 USD/mm 3 - en minskning med 98 procent.
På grund av den långsamma punktskanningsprocessen och bristen på förmåga att skriva ut stödstrukturer, konventionella TPP-system kan inte tillverka stora komplexa och överhängande strukturer. FP-TPL-tekniken har övervunnit denna begränsning med sin höga utskriftshastighet, dvs. partiellt polymeriserade delar sammanfogas snabbt innan de kan driva iväg i det flytande hartset, vilket gör det möjligt att tillverka stora komplexa och överhängande strukturer, som visas i figur 1 (G). Professor Chen sa att FP-TPL-tekniken kan gynna många områden; till exempel, nanoteknik, avancerade funktionella material, mikrorobotik, och medicintekniska produkter och läkemedelsleveranser. På grund av dess avsevärt ökade hastighet och minskade kostnader, FP-TPL-tekniken har potential att kommersialiseras och brett antas inom olika områden i framtiden, tillverkning av meso- till storskaliga enheter.
