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德國“分光束”雙光子3D打印技術,速度提高近百倍創世界紀錄

2020-03-29 9:32:35 點擊︰

超高精細度的3D打印技術,是否也可以實現看似矛盾的高速度呢?

△比1歐元硬幣還小的高復雜度零件(60立方毫米),實現了高精細度的3D打印,內部含有3000億個體素
      2020年1月,一篇論文《Rapid Assembly of Small Materials Building Blocks (Voxels) into Large Functional 3D Metamaterials》發表在《Advanced Functional Materials》雜志上。它提出了一種“分光束”3D打印技術,可以實現從100 nm到100 μm大跨度尺寸的3D打印,以約1000萬體素/秒的打印速率進行的多焦點雙光子打印,大大超過了以前的技術,創造了新的世界紀錄。

     Karlsruhe的研究人員與澳大利亞昆士蘭科技大學的研究者合作,設計了一種新系統,將通常的一束激光分成九束。所有這些“子光束”都獨立但同時移動,每個子光束聚焦在光聚合反應不同區域上。結果實現了每秒大約1000萬體素的3D打印速率,比之前的提高數十倍到上百倍!
a)具有晶格常數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3000億個體素,峰值打印率為9000萬個體素/秒。
c)當用633nm波長的激光曝光時,立方超材料晶體的勞厄衍射圖。 這張照片被故意曝光過度,以顯示更高的衍射級。 為了清楚起見,添加了樣本照片。
在實驗中,研究團隊3D打印了一個大小為60立方毫米的矩形立方體,具有格子狀的微米級復雜內部結構。它包含了超過3000億體素。這種情況下,表現為實際3D打印體積過程的速度的兩大因素包括︰
  • 3D打印的速率,也就是單位時間內可以打印的體素的個數。
  • 3D打印的精度,也就是最小的可打印體素點的尺寸。

3D打印體積的速度= 體素3D打印速率(個數)乘以 單個體素體積 。

△a)3D打印衍射光學元件(DOE)的掃描電子顯微照片。 這種DOE用于規模並行雙光子3D打印的設置方案中,可將一個入射激光束分成3×3 = 9個子束。 b)DOE的特寫視圖。 像素的大小為2×2 μm2,由8個不同的高度級別組成。 c)DOE旁邊的公制尺的光學照片。 基板是標準的顯微鏡蓋玻片,尺寸為22×22 mm2。 d)使用CMOS相機對DOE進行歸一化的假色強度測量。 DOE用直徑為1.2 mm的中心波長為790 nm的飛秒脈沖激光束照射,並放置在50 mm焦距透鏡的後焦平面中。
△不同的3D打印制造方法,與體素尺寸和打印速率的關系。上水平標度表示體素大小本身,右垂直標度表示打印速率。電子束誘導沉積(EBID,紅色正方形),選擇性激光燒結(SLS,深紅色菱形),電液動力學(氧化還原)打印(EHDP,淺藍色左指向三角形),直接墨水書寫(DIW,淺色)藍色向下指向的三角形),熔絲制造(FFF,藍色右指向三角形),噴墨3D打印(IJ,深藍色向上指向的三角形),投影微立體光刻(PμSL,淺綠色圓盤),連續液面打印(CLIP,深綠色圓圈),計算機軸向光刻(CAL,黃色星號)和雙光子打印(2PP,紅色方塊)。在正文中給出了所描繪的數據點下面的參考。標記為“這項工作”的大紅色方塊強調了當前工作在最佳情況下的體素大小(400納米)和900萬體素/秒的打印速度下的結果。第二個連接點顯示了相同的結果,在激光焦點的3×3陣列中使用平均體素大小。

科學家希望對此進一步開發,該技術可以在光學和光子學、材料科學、生物工程和安全工程等領域找到應用。
2020年1月發表在《Advanced Functional Materials》雜志上的論文《Rapid Assembly of Small Materials Building Blocks (Voxels)
into Large Functional 3D Metamaterials》

       根據德國卡爾斯魯厄理工學院科學家的說法,一般雙光子3D打印技術允許每秒數十萬個體素的最大打印速度(體素是3D網格中的單個數據點)。盡管這听起來可能非常快,但實際上實際上只有噴墨打印機產生2D圖形速度的百分之一。 

                                

△用于規模並行雙光子3D打印的設置方案。使用聲光調制器(AOM,AA MT80-A1.5-IR)調制Ti︰Sa激光(Spectra Physics MaiTai HP)的光束。稜鏡壓縮器對所獲取的群時延色散進行預補償。衍射光學元件(DOE)放在色散補償望遠鏡(DCT)的入射光瞳處。光束通過偏振分束立方體(PBS)透射。 DOE的圖像在第二個無焦點繼電器(LG1和LG2)中被放大兩倍,然後使用另一個繼電器(LG3和LG4)成像到檢流鏡(GX和GY)上。虛線表示坐標系的翻轉。否則,第二個檢流計會將光束指向紙平面外。在最終的繼電器裝置(LG5和LG6)中,DOE通過四分之一波片成像到物鏡的瞳孔(Zeiss Plan-Apochromat 40×/ NA1.4 Oil DIC)中,並聚焦在樣品上。顯微鏡載物台(M?rzh?user-WetzlarScan IM 120×100)在x和y方向上平移樣品。壓電慣性位移台(PI Q-545.140)沿z方向移動位移台。後向反射光聚焦到雪崩光電二極管(APD)上。

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