3d打印技术加速了纳米级制造

利用一种新的基于时间的方法来控制来自激光的光，研究人员开发了一种纳米级3d打印技术，该技术可以比传统的双光子光刻(TPL)技术快1000倍，而不牺牲分辨率。

尽管有很高的吞吐量，新的并行化技术——被称为飞秒投影TPL (FP-TPL)——产生了175纳米的深度分辨率，这比现有的方法更好，并且可以制造目前无法制造的90度悬垂结构。该技术可能导致生物支架、柔性电子、电化学界面、微光学、机械和光学超材料以及其他功能性微纳米结构的制造规模生产。

这项工作是由劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)和香港中文大学的研究人员完成的。该论文的第一作者和通讯作者索拉布·萨哈(Sourabh Saha)现在是乔治亚理工学院乔治·w·伍德拉夫机械工程学院的助理教授。

现有的纳米级增材制造技术使用单点高强度光(通常直径约700至800纳米)将光聚合物材料从液体转化为固体。由于该点必须扫描整个被制造的结构，现有的TPL技术可能需要许多小时来制造复杂的3-D结构，这限制了其扩大实际应用的能力。

萨哈说:“我们不是只使用一个光点，而是同时投射出一百万个光点。”“这大大扩大了这个过程，因为我们可以使用整个平面的投射光，而不是使用必须扫描的单个点来创建结构。我们不是聚焦一个点，而是聚焦一个完整的平面，可以被塑造成任意结构。”

为了创建一百万个点，研究人员使用了一种类似于投影仪中使用的数字掩模来创建图像和视频。在这种情况下，掩模控制飞秒激光在前驱体液体聚合物材料中创建所需的光模式。高强度的光会引起聚合反应，在需要的地方将液体变成固体，从而产生3-D结构。

制造结构的每一层都是由35飞秒的高强度光爆发形成的。然后使用投影仪和蒙版创建一层又一层，直到生成整个结构。然后液体聚合物被去除，留下固体聚合物。FP-TPL技术允许研究人员在8分钟内制作出一种结构，而使用早期工艺需要几个小时才能制作出来。

LLNL工程材料和制造中心主任Chris Spadaccini说:“已经开发的并行双光子系统是纳米级打印的一个突破，将使这种尺寸的材料和结构的卓越性能在可用的组件中实现。”

与消费级3d打印不同的是，这项新技术将颗粒喷射到表面，深入到液体前驱体中，从而可以制造出仅靠表面制造无法制造出的结构。例如，该技术可以制造出萨哈所说的“不可能的桥”，它有90度的悬垂，长度与特征尺寸的比例超过1000:1。他说:“我们可以将光投射到材料中我们想要的任何深度，因此我们可以制造悬浮的3d结构。”

研究人员在小于100微米× 100微米的碱基之间打印了一毫米长的悬浮结构。这种结构在制造过程中不会倒塌，因为液体和固体的密度差不多，而且生产过程非常快，液体没有时间被扰动。

除了桥梁，研究人员还制作了各种各样的结构来演示该技术，包括微型柱子、长方体、原木桩、电线和螺旋。研究人员使用了传统的聚合物前体，但Saha认为该技术也适用于可以由前体聚合物产生的金属和陶瓷。

他说:“这种技术的真正应用将是小型设备的工业规模生产，这些设备可能被集成到更大的产品中，比如智能手机中的组件。”“下一步是证明我们可以用其他材料来打印，以扩大材料面板。”

研究小组多年来一直致力于加速用于制造纳米级3d结构的双光子光刻工艺。这个小组的成功在于采用了一种不同的聚焦光的方式，利用它的时域特性，可以生产出具有高分辨率和微小特征的非常薄的光片。

飞秒激光的使用使研究团队能够保持足够的光强度来触发双光子聚合过程，同时保持点尺寸薄。在FP-TPL技术中，飞秒脉冲在通过光学系统时被拉伸和压缩，以实现时间聚焦。这个过程可以产生比衍射限制的聚焦光斑更小的三维特征，需要两个光子同时击中液体前体分子。

“传统上，在速度和分辨率之间需要权衡，”萨哈说。“如果你想要一个更快的过程，你就会失去分辨率。我们打破了这种工程上的权衡，使我们能够用最小的功能以1000倍的速度打印。”

Saha打算继续用新材料推进工作，并进一步扩大工艺规模。

“到目前为止，我们已经证明了我们在速度和分辨率方面做得相当不错，”他说。“接下来的问题将是我们能多好地预测特征，以及我们能多好地控制大规模的质量。这需要做更多的工作来理解这一过程本身。”

佐治亚理工大学

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-由克里斯·瓦夫拉编辑，制作编辑，控制工程， CFE传媒，cvavra@cfemedia.com．查看更多控制工程离散的制造业故事．

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