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二零一九年十二月十一日

中大工程学院3D打印新突破
飞秒镭射投影技术将列印速度提高万倍



高精度立体3D打印技术,是制造精密医疗及科技器件的重要驱动力,惟现有技术效率低且成本高,窒碍普及应用。香港中文大学(中大)工程学院机械与自动化工程学系陈世祈教授及其团队,与美国「劳伦斯利佛摩国家实验室」(Lawrence Livermore National Laboratory)合作研发出「飞秒镭射投影双光子聚合光刻」(Femtosecond Projection Two-photon Lithography, FP-TPL)3D打印技术,通过控制镭射光谱的投射角度,将镭射3D打印过程由逐点写入改革成整个平面写入,令打印速度提升数千至一万倍,并降低打印成本达98%。该科研成果获刊登于全球顶尖学术期刊《科学》(Science),肯定了其技术突破,引领高端3D打印迈进全新领域。

常见的3D高精度打印技术(即双光子聚合系统,简称TPP),原理是以镭射光串逐点写入,再分层制造,即使是小型器件也要花上数天以至上星期扫描打印(约每小时0.1立方毫米),过程费时及昂贵,也限制了这项技术在大规模生产中的应用。若要提升速度,则往往要牺牲成品的精密度。陈世祈教授及其团队克服了上述难题,共同研发了FP-TPL 3D打印技术,突破性地利用新聚焦方法,同时投影100万个光点,形成整个光平面,以取代传统将镭射光集中于一点的做法。换句话说,过往扫描一点的时间内,新技术已可扫描一整块平面,飞秒完成一层写入。

FP-TPL不但将打印速度增加至每小时10至100立方毫米,还可将精密度提升至140 x 175 纳米,成本更降至每立方毫米1.5美元。陈世祈教授指出,TTP系统的主要硬件包括数码微反射镜晶片及飞秒镭射光源,而光源正是TPP系统的最大成本支出,一般寿命只有约两万小时。因此,将扫描时间由数天缩短至几分钟,可大幅延长镭射光源的寿命,变相节省打印成本,由平均每立方毫米88美元下调至1.5美元,减幅达98%。

TPP系统采用的点扫描技术由于动作缓慢且缺乏打印支撑结构的能力,无法制造大型复杂的悬垂结构。FP-TPL则克服了这个限制,它的高速打印能力可迅速将液态树脂中部分聚合的零件在漂移之前连接在一起,从而制造复杂及大型的悬垂或倒勾结构,如图1(G)。陈世祈教授表示,FP-TPL技术适用于高端纳米科技、先进材料、医疗用微支架及药物传输技术的研发。并且由于其显著提升了速度和降低成本,在未来可能被更广泛的应用于各个领域,打印中型或大型器件,极具商业应用潜力。

研究团队曾获创新科技署多个创新科技基金项目(ITF)的支持,奠定稳健的基础,其后再获美国能源部辖下之劳伦斯利佛摩国家实验室的资助及支援,成功研发此新技术,并已取得多项专利。有关研究成果已于十月份在《科学》(Science)发表,该期刊被视为全世界最权威的学术期刊之一,由美国科学促进会出版,所有的研究文章在见刊前须经同行评审,竞争极为激烈。

*mm=毫米  µm=微米,  submicron=亚微米  nm=纳米 fs =飞秒

陈世祈教授
陈世祈教授

图1: FP-TPL打印技术以亚微米(即submicron,1微米以下)的精密度打印复杂的3D结构。
(A)-(C)放置在一枚美元一分硬币上的打印成品,为毫米级结构,当中包含了亚微米级之微型特征。打印时间为8分钟20秒,成品是2.20 mm × 2.20 mm × 0.25 mm长方体,3D打印速度为每小时8.7 mm3。若以现行常用的串行技术打印,需时数个小时。
(D)3D微型柱体,通过堆叠2D层进行打印,结构比例均匀,是串行扫描系统无法达到的精密水平。柱体与人的发丝粗细相当,内部更细密的打印结构清晰可见。
(E)和(F)几毫秒内完成单层扫描,毋需任何支撑平台亦能打印出曲线螺旋结构。
(G)-(J)通过拼接多个工作区域投影来打印出来的大跨度的悬垂3D结构,显示FP-TPL前所未有的打印能力。
(G)90度悬垂桥的结构,整道桥细节微小,悬垂部分占比高,当中结构达亚微米精密度,难以通过串行技术或其他现行技术进行打印。
图1: FP-TPL打印技术以亚微米(即submicron,1微米以下)的精密度打印复杂的3D结构。
(A)-(C)放置在一枚美元一分硬币上的打印成品,为毫米级结构,当中包含了亚微米级之微型特征。打印时间为8分钟20秒,成品是2.20 mm × 2.20 mm × 0.25 mm长方体,3D打印速度为每小时8.7 mm3。若以现行常用的串行技术打印,需时数个小时。
(D)3D微型柱体,通过堆叠2D层进行打印,结构比例均匀,是串行扫描系统无法达到的精密水平。柱体与人的发丝粗细相当,内部更细密的打印结构清晰可见。
(E)和(F)几毫秒内完成单层扫描,毋需任何支撑平台亦能打印出曲线螺旋结构。
(G)-(J)通过拼接多个工作区域投影来打印出来的大跨度的悬垂3D结构,显示FP-TPL前所未有的打印能力。
(G)90度悬垂桥的结构,整道桥细节微小,悬垂部分占比高,当中结构达亚微米精密度,难以通过串行技术或其他现行技术进行打印。

图2:FP-TPL技术打印的纳米线,展示150纳米级的精密度。
(A)在不同条件下(变换镭射功率及投影像素)打印出来的悬浮纳米线,由阔度(沿横向)和(B)高度(沿纵向)显示其变化。从DMD投影的图案中可见,横向线从3像素更改为6像素,固化周期为30毫秒。在系统中,每个DMD像素被投射到约 150 × 150 nm2的面积上。HP、MP和LP标签,分别表示高(42 nW / px)、中(39 nW / px)和低(35 nW / px)的功率水平。(相同的标记符号,表示以相同的功率产生成的数据点;相同特定颜色的标记,则表示相同阔度的横向线。)打印试验采用的镭射光和物镜的规格如下:飞秒镭射投射的中心波长为800 nm,标称脉冲宽度为35 fs,物镜倍率为60× 1.25NA。(C)和(D)展示打印样品在电子显微镜下的悬垂纳米线图像。
图2:FP-TPL技术打印的纳米线,展示150纳米级的精密度。
(A)在不同条件下(变换镭射功率及投影像素)打印出来的悬浮纳米线,由阔度(沿横向)和(B)高度(沿纵向)显示其变化。从DMD投影的图案中可见,横向线从3像素更改为6像素,固化周期为30毫秒。在系统中,每个DMD像素被投射到约 150 × 150 nm2的面积上。HP、MP和LP标签,分别表示高(42 nW / px)、中(39 nW / px)和低(35 nW / px)的功率水平。(相同的标记符号,表示以相同的功率产生成的数据点;相同特定颜色的标记,则表示相同阔度的横向线。)打印试验采用的镭射光和物镜的规格如下:飞秒镭射投射的中心波长为800 nm,标称脉冲宽度为35 fs,物镜倍率为60× 1.25NA。(C)和(D)展示打印样品在电子显微镜下的悬垂纳米线图像。

FP-TPL的聚焦技术。
FP-TPL的聚焦技术。

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