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德国“分光束”双光子3D打印技术,速度提高近百倍创世界纪录

选择字号: 超大 标准 发布时间:2020-2-7 10:17:58 | 作者:zhiyongz | 0个评论 | 人浏览

超高精细度的3D打印技术,是否也可以实现看似矛盾的高速度呢?

△比1欧元硬币还小的高复杂度零件(60立方毫米),实现了高精细度的3D打印,内部含有3000亿个体素

      2020年1月,一篇论文《Rapid Assembly of Small Materials Building Blocks (Voxels) into Large Functional 3D Metamaterials》发表在《Advanced Functional Materials》杂志上。它提出了一种“分光束”3D打印技术,可以实现从100 nm到100 μm大跨度尺寸的3D打印,以约1000万体素/秒的打印速率进行的多焦点双光子打印,大大超过了以前的技术,创造了新的世界纪录。

       根据德国卡尔斯鲁厄理工学院科学家的说法,一般双光子3D打印技术允许每秒数十万个体素的最大打印速度(体素是3D网格中的单个数据点)。尽管这听起来可能非常快,但实际上实际上只有喷墨打印机产生2D图形速度的百分之一。

△用于规模并行双光子3D打印的设置方案。使用声光调制器(AOM,AA MT80-A1.5-IR)调制Ti:Sa激光(Spectra Physics MaiTai HP)的光束。棱镜压缩器对所获取的群时延色散进行预补偿。衍射光学元件(DOE)放在色散补偿望远镜(DCT)的入射光瞳处。光束通过偏振分束立方体(PBS)透射。 DOE的图像在第二个无焦点继电器(LG1和LG2)中被放大两倍,然后使用另一个继电器(LG3和LG4)成像到检流镜(GX和GY)上。虚线表示坐标系的翻转。否则,第二个检流计会将光束指向纸平面外。在最终的继电器装置(LG5和LG6)中,DOE通过四分之一波片成像到物镜的瞳孔(Zeiss Plan-Apochromat 40×/ NA1.4 Oil DIC)中,并聚焦在样品上。显微镜载物台(Märzhäuser-WetzlarScan IM 120×100)在x和y方向上平移样品。压电惯性位移台(PI Q-545.140)沿z方向移动位移台。后向反射光聚焦到雪崩光电二极管(APD)上。


     Karlsruhe的研究人员与澳大利亚昆士兰科技大学的研究者合作,设计了一种新系统,将通常的一束激光分成九束。所有这些“子光束”都独立但同时移动,每个子光束聚焦在光聚合反应不同区域上。结果实现了每秒大约1000万体素的3D打印速率,比之前的提高数十倍到上百倍!

a)具有晶格常数a的手性3D超材料立方晶孢.
b)制备的手性超材料样品的照片(δ= 34.8°)。 该样本包含30×30×120 = 108 000 3D单位晶胞,其a =80μm(与激光聚焦阵列中的聚焦间距相同),因此体积为2.4×2.4×9.6 立方mm。 该样本包含大约3000亿个体素,峰值打印率为9000万个体素/秒。
c)当用633nm波长的激光曝光时,立方超材料晶体的劳厄衍射图。 这张照片被故意曝光过度,以显示更高的衍射级。 为了清楚起见,添加了样本照片。


在实验中,研究团队3D打印了一个大小为60立方毫米的矩形立方体,具有格子状的微米级复杂内部结构。它包含了超过3000亿体素。这种情况下,表现为实际3D打印体积过程的速度的两大因素包括:

  • 3D打印的速率,也就是单位时间内可以打印的体素的个数。

  • 3D打印的精度,也就是最小的可打印体素点的尺寸。


3D打印体积的速度= 体素3D打印速率(个数)乘以 单个体素体积 。


△a)3D打印衍射光学元件(DOE)的扫描电子显微照片。 这种DOE用于规模并行双光子3D打印的设置方案中,可将一个入射激光束分成3×3 = 9个子束。 b)DOE的特写视图。 像素的大小为2×2 μm2,由8个不同的高度级别组成。 c)DOE旁边的公制尺的光学照片。 基板是标准的显微镜盖玻片,尺寸为22×22 mm2。 d)使用CMOS相机对DOE进行归一化的假色强度测量。 DOE用直径为1.2 mm的中心波长为790 nm的飞秒脉冲激光束照射,并放置在50 mm焦距透镜的后焦平面中。


△不同的3D打印制造方法,与体素尺寸和打印速率的关系。上水平标度表示体素大小本身,右垂直标度表示打印速率。电子束诱导沉积(EBID,红色正方形),选择性激光烧结(SLS,深红色菱形),电液动力学(氧化还原)打印(EHDP,浅蓝色左指向三角形),直接墨水书写(DIW,浅色)蓝色向下指向的三角形),熔丝制造(FFF,蓝色右指向三角形),喷墨3D打印(IJ,深蓝色向上指向的三角形),投影微立体光刻(PμSL,浅绿色圆盘),连续液面打印(CLIP,深绿色圆圈),计算机轴向光刻(CAL,黄色星号)和双光子打印(2PP,红色方块)。在正文中给出了所描绘的数据点下面的参考。标记为“这项工作”的大红色方块强调了当前工作在最佳情况下的体素大小(400纳米)和900万体素/秒的打印速度下的结果。第二个连接点显示了相同的结果,在激光焦点的3×3阵列中使用平均体素大小。


科学家希望对此进一步开发,该技术可以在光学和光子学、材料科学、生物工程和安全工程等领域找到应用。

2020年1月发表在《Advanced Functional Materials》杂志上的论文《Rapid Assembly of Small Materials Building Blocks (Voxels)
into Large Functional 3D Metamaterials》


标签:双光子3D打印技术  

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