德國(guó)“分光束”雙光子3D打印技術(shù)，速度提高近百倍創(chuàng)世界紀(jì)錄

南極熊導(dǎo)讀：超高精細(xì)度的3D打印技術(shù)，是否也可以實(shí)現(xiàn)看似矛盾的高速度呢？

△比1歐元硬幣還小的高復(fù)雜度零件（60立方毫米），實(shí)現(xiàn)了高精細(xì)度的3D打印，內(nèi)部含有3000億個(gè)體素

南極熊獲悉，2020年1月，一篇論文《Rapid Assembly of Small Materials Building Blocks (Voxels) into Large Functional 3D Metamaterials》發(fā)表在《Advanced Functional Materials》雜志上。它提出了一種“分光束”3D打印技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)從100 nm到100 μm大跨度尺寸的3D打印，以約1000萬(wàn)體素/秒的打印速率進(jìn)行的多焦點(diǎn)雙光子打印，大大超過(guò)了以前的技術(shù)，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄。

根據(jù)德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院科學(xué)家的說(shuō)法，一般雙光子3D打印技術(shù)允許每秒數(shù)十萬(wàn)個(gè)體素的最大打印速度（體素是3D網(wǎng)格中的單個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)）。盡管這聽(tīng)起來(lái)可能非�？�，但實(shí)際上實(shí)際上只有噴墨打印機(jī)產(chǎn)生2D圖形速度的百分之一。 △用于規(guī)模并行雙光子3D打印的設(shè)置方案。使用聲光調(diào)制器（AOM，AA MT80-A1.5-IR）調(diào)制Ti：Sa激光（Spectra Physics MaiTai HP）的光束。棱鏡壓縮器對(duì)所獲取的群時(shí)延色散進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償。衍射光學(xué)元件（DOE）放在色散補(bǔ)償望遠(yuǎn)鏡（DCT）的入射光瞳處。光束通過(guò)偏振分束立方體（PBS）透射。 DOE的圖像在第二個(gè)無(wú)焦點(diǎn)繼電器（LG1和LG2）中被放大兩倍，然后使用另一個(gè)繼電器（LG3和LG4）成像到檢流鏡（GX和GY）上。虛線表示坐標(biāo)系的翻轉(zhuǎn)。否則，第二個(gè)檢流計(jì)會(huì)將光束指向紙平面外。在最終的繼電器裝置（LG5和LG6）中，DOE通過(guò)四分之一波片成像到物鏡的瞳孔（Zeiss Plan-Apochromat 40×/ NA1.4 Oil DIC）中，并聚焦在樣品上。顯微鏡載物臺(tái)（Märzhäuser-WetzlarScan IM 120×100）在x和y方向上平移樣品。壓電慣性位移臺(tái)（PI Q-545.140）沿z方向移動(dòng)位移臺(tái)。后向反射光聚焦到雪崩光電二極管（APD）上。

Karlsruhe的研究人員與澳大利亞昆士蘭科技大學(xué)的研究者合作，設(shè)計(jì)了一種新系統(tǒng)，將通常的一束激光分成九束。所有這些“子光束”都獨(dú)立但同時(shí)移動(dòng)，每個(gè)子光束聚焦在光聚合反應(yīng)不同區(qū)域上。結(jié)果實(shí)現(xiàn)了每秒大約1000萬(wàn)體素的3D打印速率，比之前的提高數(shù)十倍到上百倍！

a）具有晶格常數(shù)a的手性3D超材料立方晶孢.

b）制備的手性超材料樣品的照片（δ= 34.8°）。 該樣本包含30×30×120 = 108 000 3D單位晶胞，其a =80μm（與激光聚焦陣列中的聚焦間距相同），因此體積為2.4×2.4×9.6 立方mm。 該樣本包含大約3000億個(gè)體素，峰值打印率為9000萬(wàn)個(gè)體素/秒。

c）當(dāng)用633nm波長(zhǎng)的激光曝光時(shí)，立方超材料晶體的勞厄衍射圖。 這張照片被故意曝光過(guò)度，以顯示更高的衍射級(jí)。 為了清楚起見(jiàn)，添加了樣本照片。

在實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)3D打印了一個(gè)大小為60立方毫米的矩形立方體，具有格子狀的微米級(jí)復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)。它包含了超過(guò)3000億體素。這種情況下，表現(xiàn)為實(shí)際3D打印體積過(guò)程的速度的兩大因素包括：

• 3D打印的速率，也就是單位時(shí)間內(nèi)可以打印的體素的個(gè)數(shù)。
• 3D打印的精度，也就是最小的可打印體素點(diǎn)的尺寸。
  

3D打印體積的速度= 體素3D打印速率（個(gè)數(shù)）乘以 單個(gè)體素體積 。

△a）3D打印衍射光學(xué)元件（DOE）的掃描電子顯微照片。 這種DOE用于規(guī)模并行雙光子3D打印的設(shè)置方案中，可將一個(gè)入射激光束分成3×3 = 9個(gè)子束。 b）DOE的特寫(xiě)視圖。 像素的大小為2×2 μm2，由8個(gè)不同的高度級(jí)別組成。 c）DOE旁邊的公制尺的光學(xué)照片。 基板是標(biāo)準(zhǔn)的顯微鏡蓋玻片，尺寸為22×22 mm2。 d）使用CMOS相機(jī)對(duì)DOE進(jìn)行歸一化的假色強(qiáng)度測(cè)量。 DOE用直徑為1.2 mm的中心波長(zhǎng)為790 nm的飛秒脈沖激光束照射，并放置在50 mm焦距透鏡的后焦平面中。

△不同的3D打印制造方法，與體素尺寸和打印速率的關(guān)系。上水平標(biāo)度表示體素大小本身，右垂直標(biāo)度表示打印速率。電子束誘導(dǎo)沉積（EBID，紅色正方形），選擇性激光燒結(jié)（SLS，深紅色菱形），電液動(dòng)力學(xué)（氧化還原）打�。‥HDP，淺藍(lán)色左指向三角形），直接墨水書(shū)寫(xiě)（DIW，淺色）藍(lán)色向下指向的三角形），熔絲制造（FFF，藍(lán)色右指向三角形），噴墨3D打印（IJ，深藍(lán)色向上指向的三角形），投影微立體光刻（PμSL，淺綠色圓盤(pán)），連續(xù)液面打�。–LIP，深綠色圓圈），計(jì)算機(jī)軸向光刻（CAL，黃色星號(hào)）和雙光子打�。�2PP，紅色方塊）。在正文中給出了所描繪的數(shù)據(jù)點(diǎn)下面的參考。標(biāo)記為“這項(xiàng)工作”的大紅色方塊強(qiáng)調(diào)了當(dāng)前工作在最佳情況下的體素大小（400納米）和900萬(wàn)體素/秒的打印速度下的結(jié)果。第二個(gè)連接點(diǎn)顯示了相同的結(jié)果，在激光焦點(diǎn)的3×3陣列中使用平均體素大小。


科學(xué)家希望對(duì)此進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，該技術(shù)可以在光學(xué)和光子學(xué)、材料科學(xué)、生物工程和安全工程等領(lǐng)域找到應(yīng)用。

2020年1月發(fā)表在《Advanced Functional Materials》雜志上的論文《Rapid Assembly of Small Materials Building Blocks (Voxels)
into Large Functional 3D Metamaterials》 Hahn_et_al-2020-Advanced_Functional_Materials.pdf (1.61 MB, 下載次數(shù): 540)

2020-2-6 17:46 上傳

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