將雙光子3D打印速度提高1000倍，飛秒投影雙光子光刻3D打印技術(shù)

來源：文匯報(bào)

南極熊導(dǎo)讀：此前南極熊也曾經(jīng)多次報(bào)道過雙光子3D打印技術(shù)，這是一種在納米尺度上的3D打印技術(shù)，利用雙光子進(jìn)行光刻，可以打印出納米級(jí)的結(jié)構(gòu)。然而，其最大的弊端就是打印速度太慢。那么，有沒有辦法可以提高它的打印速度呢？

■陳世祈團(tuán)隊(duì)研究5年，與美國(guó)實(shí)驗(yàn)室合作研發(fā)FP-TPL 技術(shù)，使納米級(jí)3D打印速度大幅提高，并降低成本。香港文匯報(bào)記者 攝

陳世祈團(tuán)隊(duì)研發(fā)新聚焦方法 變相節(jié)省98%成本

香港文匯報(bào)訊（記者 文森）3D打印技術(shù)經(jīng)過二十多年的發(fā)展已經(jīng)逐漸為人熟知，人們可以透過構(gòu)建數(shù)字模型快速製造出成品。納米級(jí)3D打印技術(shù)屬于3D打印的一個(gè)分支，打印成品通常小到肉眼看不見，不過，復(fù)雜程度卻不輸傳統(tǒng)3D打印品，精密度亦在數(shù)百納米級(jí)別。但現(xiàn)有納米級(jí)3D打印技術(shù)卻長(zhǎng)期面臨打印速度慢及成本高兩大困境，未能實(shí)現(xiàn)更廣泛應(yīng)用。近日香港中文大學(xué)工程學(xué)院機(jī)械與自動(dòng)化工程學(xué)系副教授陳世祈及其團(tuán)隊(duì)突破學(xué)術(shù)瓶頸，研發(fā)了「飛秒投影雙光子光刻3D打印」（FP-TPL）技術(shù)，將原有打印速度大幅提升數(shù)千至一萬倍，并變相節(jié)省成本，減幅達(dá)98%。

常見3D高精度打印技術(shù)一般使用雙光子聚合系統(tǒng)（TPP），使用鐳射光串逐點(diǎn)寫入，再分層打印，這種「由點(diǎn)及面再逐層增加」的打印方式速度很慢（約每小時(shí)0.1mm3），即使製造小型器件都要花費(fèi)數(shù)天甚至幾個(gè)星期。另外鐳射光源有壽命限制，一般每套機(jī)器只能使用約兩萬小時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間使用又造成了TPP打印的高昂成本。

舊招一年 新招10小時(shí)

為克服現(xiàn)有技術(shù)的困難，陳世祈及其團(tuán)隊(duì)潛心研究5年，并與美國(guó)「勞倫斯利佛摩國(guó)家實(shí)驗(yàn)室」合作研發(fā)出 FP-TPL 技術(shù)。有關(guān)研究成果已在今年10月于全球性學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上發(fā)表。新技術(shù)利用創(chuàng)新的聚焦方法，同時(shí)投影100萬個(gè)光點(diǎn)，形成光平面，將鐳射3D打印過程改革成整個(gè)平面寫入，打印速度因此大幅提升數(shù)千倍至1萬倍。過往技術(shù)用來掃描一點(diǎn)的時(shí)間內(nèi)，新技術(shù)已可掃描一整塊平面，飛秒完成一層寫入。

FP-TPL 技術(shù)使打印速度增至每小時(shí)10至100mm3【南極熊備注：相當(dāng)于提高100-1000倍】，打印成本亦因此大幅降低至每立方毫米1.5美元，同時(shí)精密度亦有提升，高達(dá)140 × 175納米。

陳世祈解釋，納米級(jí)打印技術(shù)因?yàn)槠涓呔�度的要求，一般不用于打印較大型物品。他舉例，如用傳統(tǒng)TPP方法打印一枚1元港幣可能需要近1年時(shí)間，但如果用FP-TPL技術(shù)，則可縮短至10小時(shí)以內(nèi)。

離工業(yè)化生產(chǎn)尚有距離

對(duì)于 FP-TPL 技術(shù)未來的應(yīng)用范疇，陳世祈表示，因成本限制，F(xiàn)P-TPL距離大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)尚有一定距離，不過已有硅谷融資公司在和團(tuán)隊(duì)接觸。在微型3D打印領(lǐng)域，他看好將FP-TPL用于光學(xué)及生物醫(yī)藥等學(xué)科的實(shí)驗(yàn)研究，制造包括光子晶體、納米機(jī)器人、生物支架或超材料等實(shí)驗(yàn)器材。

陳世祈畢業(yè)于臺(tái)灣清華大學(xué)機(jī)械工程系，在麻省理工大學(xué)和劍橋大學(xué)分別取得碩士及博士學(xué)位，曾在哈佛醫(yī)學(xué)院進(jìn)行研究工作。他于2011年加入中大，主要研究范圍包括納米3D打印、高速3D成像等。去年他憑借「數(shù)字全息納米3D打印機(jī)」研究成果榮獲美國(guó)R&D全球百大科技研發(fā)獎(jiǎng)。


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來源：香港中文大學(xué)

香港中文大學(xué)（中大）工程學(xué)院機(jī)械與自動(dòng)化工程學(xué)系陳世祈教授及其團(tuán)隊(duì)研發(fā)的「數(shù)碼全息納米3D打印機(jī)」（Nano-Builder），獲得有「創(chuàng)科界奧斯卡」之稱的全球R&D100年獎(jiǎng)嘉許，被選為2018年度全球一百大創(chuàng)新發(fā)明之一。Nano-Builder能以秒速印制結(jié)構(gòu)復(fù)雜、細(xì)如發(fā)絲的精細(xì)組件，尤其適合高端納米科技、先進(jìn)材料、微支架及藥物傳輸技術(shù)的研發(fā)需要。

Nano-Builder采用了革命性的數(shù)字全息雷射掃描及光束整形技術(shù)，能夠以高速（22.7 kHz）多焦點(diǎn)掃描，打破傳統(tǒng)3D打印機(jī)單焦點(diǎn)低精度的局限，并同時(shí)達(dá)到納米級(jí)別的打印精度。新技術(shù)可以在三維的空間中隨機(jī)掃描，不必由底部開始逐層掃描至頂部，超越了空間的制肘。

多個(gè)掃描焦點(diǎn)可以在相同速度下，移動(dòng)至打印空間中的任何一點(diǎn)，即使沒有結(jié)構(gòu)及材料的支撐，仍可打印出復(fù)雜的懸垂結(jié)構(gòu)，精密細(xì)致的微型成品。跟現(xiàn)有技術(shù)比較，過程毋須浪費(fèi)額外的物料作支撐；而總打印時(shí)間與結(jié)構(gòu)的固體體積成正比，跟復(fù)雜程度完全無關(guān)，大幅提升了打印的速度及精確度。陳世祈教授表示，快速而精細(xì)的Nano-Builder最有利于開發(fā)各類微小尺度的科研器件（如光子晶體、微納流體器件、仿真生物組織及支架、藥物傳輸工具等）用以協(xié)助研究人員制作復(fù)雜、精巧的組件，從而革新了納米科技、先進(jìn)材料及醫(yī)療工具的相關(guān)技術(shù)。

另一大特點(diǎn)是其便捷的系統(tǒng)模組化設(shè)計(jì)及延伸性，Nano-Builder的成像模組可快速的替換，提供先進(jìn)的雙光子顯微成像功能，應(yīng)用于生物及醫(yī)學(xué)影像等范疇。在光遺傳學(xué)研究應(yīng)用中，Nano-Builder能同時(shí)準(zhǔn)確刺激生物大腦中多個(gè)神經(jīng)元，而不傷害神經(jīng)元周圍的結(jié)構(gòu)，可用于長(zhǎng)時(shí)間研究大腦神經(jīng)回路及特定功能，如小鼠或斑馬魚的嗅覺、視覺或認(rèn)知功能，將3D隨機(jī)掃瞄的優(yōu)點(diǎn)延伸至醫(yī)學(xué)或基礎(chǔ)生物研究工具。

是項(xiàng)嶄新的打印技術(shù)歷時(shí)四年孕育，研究團(tuán)隊(duì)于早年獲得創(chuàng)新科技署的「大學(xué)科技初創(chuàng)企業(yè)資助計(jì)劃」支持，奠定穩(wěn)健的基礎(chǔ)。隨后，由陳世祈教授及團(tuán)隊(duì)創(chuàng)立的「多尺度精密儀器實(shí)驗(yàn)室」（Multiscale Precision Instrumentation Laboratory）進(jìn)駐中大「前期創(chuàng)業(yè)育成中心」（Pre-incubation Centre，Pi Centre），期間得到Pi Centre提供全面的資源及支援，包括創(chuàng)業(yè)顧問指導(dǎo)進(jìn)程、培訓(xùn)及工作坊、聯(lián)系本地資深投資者及業(yè)界導(dǎo)師等，大幅提升了科研商品化的成功機(jī)會(huì)。