Rekordhøj 3D-printhastighed opnået ved akusto-optisk scanning

Professor Wei Xiongs gruppe, fra Wuhan National Laboratory for Optoelectronics ved Huazhong University of Science and Technology, foreslår en banebrydende højhastigheds multi-foton polymerisations litografiteknik med en rekordhøj 3D-printhastighed på 7,6 × 10 ⁷ sup> voxel s ⁻¹ , hvilket er næsten en størrelsesorden højere end tidligere scanning multifoton litografi (MPL).

Udgivet i International Journal of Extreme Manufacturing (IJEM ), denne teknologi, baseret på akusto-optisk scanning med spatial-switching (AOSS), udskriver ikke kun komplekse 3D mikro-nano-strukturer med en nøjagtighed på 212 nm, men opnår også en hidtil uset 3D-printhastighed på 7,6 × 10 ⁷ voxel/s. Det er som en kunstner, der maler et selvportræt på kun fem minutter, hvor hver eneste indviklede detalje, ned til hvert hårstrå, bliver levende til live.

"Behandlingshastighed og behandlingsnøjagtighed er vigtige præstationsparametre for evaluering af mikro-nano tredimensionel printteknologi, og denne teknologi har fremragende ydeevne i begge aspekter," sagde prof. Wei Xiong. "Denne forskning giver en mulig teknisk vej til at opnå storskala nano-3D-print i fremtiden."

Præcisionsfremstillingen af ​​indviklede og komplekse tredimensionelle mikro-nano-strukturer tjener som en grundlæggende hjørnesten for adskillige forreste discipliner. I lyset af dens iboende kapacitet til ægte tredimensionel digital fremstilling og nanoskalabehandlingsopløsning ud over diffraktionsgrænsen, har to-foton litografi (TPL) konsekvent forblevet et fokuspunkt for forskning inden for området.

Det har nu fundet omfattende anvendelser inden for banebrydende domæner, herunder tredimensionelt metamateriale, mikrooptiske, mikroelektroniske komponenter og biomedicinsk teknik.

På trods af dens høje opløsningsevner i nanoskala, har TPL's begrænsede behandlingshastighed vedvarende begrænset dets potentiale. For eksempel kan udskrivningen af ​​en simpel mønt ofte strække sig over snesevis af timer, en tidsramme, der klart er utilstrækkelig til industrielle produktionsapplikationer.

Derefter begyndte Jiao en række eksperimentelle undersøgelser og fandt til sidst den akusto-optiske deflektor (AOD) som midtpunktet i processen for at øge udskrivningshastigheden.

Traditionel scanningsbaseret TPL anvender mekaniske scanningsmetoder som galvanometriske spejle, men deres scanningshastighed er begrænset af inerti. I modsætning hertil kan den akusto-optiske deflektor (AOD) opnå inertial-fri akusto-optisk scanning, hvilket resulterer i en betydelig fremgang i hastigheden.

"Bevægelsen af ​​en bil i bevægelse inkluderer normalt sekventielle handlinger såsom bremsning, drejning og efterfølgende acceleration, som i sagens natur bruger en betydelig mængde tid på grund af påvirkningen af ​​inerti," sagde Binzhang Jiao (Ph.D. 22), den første forfatter til papiret.

Et galvanometer med inerti er ligesom en bil, hvor accelerations- og decelerationsprocesser er tidskrævende. På den anden side er AOD ikke begrænset af inerti, fordi den er afhængig af lydbølger til scanning. Sammenlignet med traditionel mekanisk spejlscanning har denne tilgang givet en 5 til 20 gange stigning i laserscanningshastigheden.

Jiao har med succes udviklet en ikke-lineær signalmodulationsteknik af AOD, der sikrer, at pletstørrelsen tilnærmer sig diffraktionsgrænsen under højhastigheds akusto-optisk scanning. Samtidig har integrationen af ​​diffraktive optiske elementer (DOE) muliggjort multifokal parallel akusto-optisk scanning, hvilket yderligere forbedrer behandlingsgennemstrømningen. De rumlige områder af de multifokale pletter styres uafhængigt af den rumlige optiske switch, hvilket muliggør fremstilling af ikke-periodiske strukturer.

De demonstrerede et MPL-system (Multiphoton Lithography) med otte brændpunkter, der opnåede en voxelstørrelse på 212 nm og en voxeludskrivningshastighed på 7,6 × 10 ⁷ voxel/s.

"Flere fokuspunkter kan udskrives separat, som om en person havde otte hænder," sagde Jiao. Denne voxel-udskrivningshastighed er 8,4 gange hurtigere end den hurtigste mekanisk scannede MPL-metode, der er rapporteret tidligere, og 38 gange hurtigere end den hurtigste rapporterede diffraktive scannede MPL-metode. Sammenlignet med kommercialiserede MPL-metoder kan udskrivningshastigheden af ​​denne teknik øges med op til 490 gange.

Selvom der stadig er lang vej fra laboratorier til fabrik, udtrykker teamet optimisme omkring fremtiden for AOSS. "For at øge det akusto-optiske scanningsområde kan scanningsvinklen for den akusto-optiske scanning øges i fremtiden. Følgelig kan en højere akusto-optisk scanningshastighed og et øget antal brændpunkter fortsætte med at øge AOSS's gennemstrømning." sagde prof. Wei Xiong.

Flere oplysninger: Binzhang Jiao Jiao et al., Acousto-optic Scanning Spatial-switching Multiphoton Lithography, International Journal of Extreme Manufacturing (2023). DOI:10.1088/2631-7990/ace0a7

Leveret af International Journal of Extreme Manufacturing