Ny teknik øger 3D-printhastigheden med 1, 000 til 10, 000 gange

Ultrapræcis 3-D printteknologi er en nøglemulighed for fremstilling af præcisionsbiomedicinske og fotoniske enheder. Imidlertid, den eksisterende printteknologi er begrænset af dens lave effektivitet og høje omkostninger. Professor Shih-Chi Chen og hans team fra Institut for Mekanik og Automationsteknik, Det kinesiske universitet i Hong Kong (CUHK), samarbejdet med Lawrence Livermore National Laboratory for at udvikle Femtosecond Projection Two-photon Lithography (FP-TPL) printteknologien.

Ved at styre laserspektret via tidsmæssig fokusering, laser 3-D print processen udføres på en parallel lag-for-lag måde i stedet for punkt-for-punkt skrivning. Denne nye teknik øger udskrivningshastigheden væsentligt med 1, 000-10, 000 gange, og reducerer omkostningerne med 98 procent. Præstationen er for nylig blevet offentliggjort i Videnskab , bekræfter sit teknologiske gennembrud, der fører 3-D-print i nanoskala ind i en ny æra.

Den konventionelle nanoskala 3-D printteknologi, dvs. to-foton polymerisation (TPP), fungerer på en punkt-for-punkt scanning måde. Som sådan, selv en genstand på centimeterstørrelse kan tage flere dage til uger at fremstille (byggehastighed ~ 0,1 mm ³ /time). Processen er tidskrævende og dyr, som forhindrer praktiske og industrielle anvendelser. For at øge hastigheden, opløsningen af ​​det færdige produkt bliver ofte ofret. Professor Chen og hans team har overvundet det udfordrende problem ved at udnytte konceptet med tidsmæssig fokusering, hvor der dannes et programmerbart femtosekund-lysark i brændplanet til parallel nanskrivning; dette svarer til samtidig projicering af millioner af laserfokus i brændplanet, erstatter den traditionelle metode til fokusering og scanning af laser kun på ét punkt. Med andre ord, FP-TPL teknologien kan fremstille et helt plan inden for den tid, punktscanningssystemet fremstiller et punkt.

Det, der gør FP-TPL til en forstyrrende teknologi, er, at den ikke kun forbedrer hastigheden væsentligt (ca. 10-100 mm) ³ /time), men forbedrer også opløsningen (~140 nm / 175 nm i laterale og aksiale retninger) og reducerer omkostningerne (US$1,5/mm) ³ ). Professor Chen påpegede, at typisk hardware i et TPP-system inkluderer en femtosekund laserkilde og lysscanningsenheder, f.eks., digital mikrospejlenhed (DMD). Da hovedomkostningerne ved TPP-systemet er laserkilden med en typisk levetid på ~20, 000 timer, at reducere fremstillingstiden fra dage til minutter kan i høj grad forlænge laserens levetid og indirekte reducere den gennemsnitlige udskrivningsomkostning fra 88 USD/mm ³ til 1,5 USD/mm ³ – en reduktion på 98 procent.

På grund af den langsomme punktscanningsproces og manglende evne til at udskrive støttestrukturer, konventionelle TPP-systemer kan ikke fremstille store komplekse og overhængende strukturer. FP-TPL-teknologien har overvundet denne begrænsning ved sin høje udskrivningshastighed, dvs. delvist polymeriserede dele forbindes hurtigt, før de kan drive væk i den flydende harpiks, som tillader fremstilling af komplekse og overhængende strukturer i stor skala, som vist i figur 1 (G). Professor Chen sagde, at FP-TPL-teknologien kan gavne mange områder; for eksempel, nanoteknologi, avancerede funktionelle materialer, mikro-robotik, og medicinske og lægemiddelleveringsanordninger. På grund af dens betydeligt øgede hastighed og reducerede omkostninger, FP-TPL-teknologien har potentiale til at blive kommercialiseret og bredt vedtaget på forskellige områder i fremtiden, fremstilling af meso- til storskala enheder.