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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

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发表于 2019-10-10 03:38 | 显示全部楼层 |阅读模式
3D打印技能直接将所要的零件大概成品生产出来,在节流时间的同时,更能节流原质料,符合全天下的环保趋势。由于原质料和技能的限定等多方面的缘故原由,3D打印技能还没有遍及。3D打印技能尚有很长的路须要走!
2019年10月4日,天下顶级期刊Science在线发表了美国工程质料与制造中心国家实行室的Sourabh K. Saha团队和香港中文大学的Shih-Chi Chen团队关于3D打印技能的最新研究结果——Scalable submicrometer additive manufacturing。
研究预览:高通量的制造技能可以产生恣意复杂的具有纳米标准特性的三维结构,这在广泛的应用范畴黑白常理想的。基于双光子光刻(TPL)的亚微米添加剂制造是弥补这一空缺的非常有前程的候选之一。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。并行化的实行的结果也不理想: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团队和美国工程质料与制造中心国家实行室的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降服这些困难。研究表明这种方法将吞吐量进步了三个数目级,并扩展了多少筹划空间。该团队还通过印刷的方法证实了实行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。
纳米级器件的发展须要恣意复杂三维结构的纳米质料制造。以光聚合为根本的亚微米级添加剂制造双光子光刻(TPL)技能天生具有200nm规模的3D结构。生产速率快于高分辨率二维技能如电子束光刻。TPL依靠于非线性双光子罗致天生小于衍射极限聚焦光斑特性。这种特殊的性子可以或许用来制造功能性的微纳米级的三维结构如光子晶体、机器超质料、微机器、微型光化学、柔性电子和生物支架。一连扫描光敏聚合物中聚焦精密的激光点,通过重叠单个亚微米体积像素,这也是最常用的安装启用装备。这种迟钝而又一连的编写方案使得大规模生产变得不切实际。因此TPL的接纳告急被范围于学术研究和实行室中,在实际应用中非常小。Shih-Chi Cheney团队证实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处置惩罚可以明显进步2-3个数目级的速率。该文章的方法允许进入筹划空间中难以探索的地域,增长了低本钱高通量处置惩罚的潜力和打印对象的多少复杂性。
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层的巨细为165mm*165mm,写入时间标准为毫秒。该团队通过投射一个图形化的2D光片来天生云云薄的2D层,同时聚焦于空间和时间域。通过数字微镜装备(DMD)将光片打造成恣意的二维图案,使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颠末光敏聚合物光刻胶时渐渐收缩,从而使最短的脉冲只在空间焦平面上实现。通过期间聚焦产生的强度梯度确保了笔墨在空间上范围于焦平面,而不会引起焦平面上下的聚合。没偶尔间聚焦,深度分辨率就会丢失。投射光束路径中的全部质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能(FP-TPL)

文章中还写到使用激光光源产生了具有宽波长光谱(约莫几十纳米)的近红外飞秒脉冲,为背面的誊写过程提供了光。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发出的发散光束举行准直,准直后的光束通过物镜,聚焦在光阻质料内部的平面上。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,这幅图像包罗了差别的固化体素,使用移动聚焦成像平面来制作三维结构。
图二:飞秒投影技能打印亚微米级分辨率的复杂三维结构

固然这种FP-TPL技能在方法上与单原子投影立体光刻技能相似,却是一种完全差别的投影机制。两者的差异表明白TP-TPL体系中使用的空间干系宽带激光光源。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时产生了几个差别的出射光束。再加上飞秒激光的宽带特性,差别波长的衍射光束以略微差别的角度出现。这种光的光谱分离陪伴着脉冲宽度的拉伸,这是高功率超快激光器筹划中被广泛使用的征象。
图三:印刷纳米线表现的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,可以到达130-140nm。该投影方案的一个特点是:一个一连投影特性的巨细可以控制在一个很宽的范围内。投影特性尺寸的变革改变了光刻天生的特性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的比力

结果总结:FP-TPL的单层体积处置惩罚速率比现有的技能进步了至少三个数目级,同时保持了低于500nm的特性。该研究的3D打印速率高出最快的串行体系的多孔结构的90多倍,非多孔质料的450多倍。FP-TPL中的时间聚焦光片可以或许实现高的面外(轴向)分辨率。与串行写入技能相比,FP-TPL的另一个吸引人的特性是可以或许投影和打印曲线特性,而在分段线性路径离散化近似过程中不须要阶段加快和标记。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,由于特性漂移过程,悬垂结构的一连扫描打印是一个挑衅,而该团队的FP-TPLde吞吐量、分辨率和模式机动性可以或许容易的实现这一点。这是一项有巨大潜力的技能,可以或许规模化的制造功能的微型和纳米结构如机器和光学质料、微光学等,大概会在电动交通工具、医疗、干净能源、盘算和通讯等范畴发挥巨大的作用。
DOI:10.1126/science.aax8760


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