香港中文大学和美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）等科研机构的研究人员开发了一种新的纳米级3D打印技术-飞秒投影双光子光刻（FP-TPL），该技术能够在不牺牲分辨率的情况下实现微小结构的高速制造，与已有的双光子光刻（TPL）技术相比，新技术的打印速度快一千倍。[1]
2019年10月4日的Science 杂志，刊登了研究团队的论文”Scalable submicrometer additive manufacturing”。
FP-TPL 技术3D打印的微柱结构
来源：Georgia Institute of Technology.
微型零部件规模化生产
研究团队多年来一直致力于提升双光子光刻纳米级3D打印技术的打印速度，高速3D打印技术FP-TPL的成功开发，来自于一种不同的聚焦光的方法，即利用时域特性生产出具有高分辨率且具有微小特征的超薄光片。
飞秒激光的使用使研究小组能够保持足够的光强度，以触发双光子过程聚合，同时保持较小的点尺寸。在FP-TPL技术中，飞秒脉冲经过光学系统时会被拉伸和压缩，以实现时间聚焦。该过程可以生成比衍射限制的聚焦光斑更小的3D特征。
FP-TPL 技术3D打印的环状结构
来源：Georgia Institute of Technology.
现有的纳米级3D打印技术使用直径通常在700到800纳米左右的单点高强度光，将光敏聚合物材料从液体转换为固体，在这一技术中，光点需要扫描整个要制造的结构，因此打印速度受到了限制，也限制了这类技术在大规模生产中的应用。
在新纳米3D打印技术FP-TPL 的研究中，研究人员没有同时使用多个单光点，而是投影了100万个点，3D构建过程是通过整个投影光平面实现的，而不是通过扫描的单个点来创建的。也就是说，在打印过程中FP-TPL 技术不是通过聚焦一个点进行打印对象构建的，而是拥有一个可以被图案化为任意结构的整个聚焦平面来实现的。
研究人员使用类似于投影仪中使用的数字掩模来创建图像，从而投影出100万个点。每一个打印层都是由35飞秒的强光束形成的，在投影仪和掩模控制下逐层进行打印。在这种情况下，数字掩模控制飞秒激光在前驱体液态聚合物材料中产生所需的光图案，高强度光会引起材料的聚合反应，将液体变成固体从而形成3D结构。
FP-TPL技术能够在8分钟内打印出过去需要花费数小时才能够完成打印的结构。尽管速度得到了显著提升，但FP-TPL 技术在实现高速3D打印与保证分辨率之间做了更好的平衡。以往的3D打印技术在打印速度高的情况下，分辨率会受到影响，FP-TPL 3D打印技术的特点是，打印速度得到了显著提升，同时能够实现的深度分辨率达175纳米，优于现有技术，并且能够实现现有技术难以实现的90度悬垂的结构。
FP-TPL 技术3D打印的悬垂结构
来源：Georgia Institute of Technology.
这一技术与消费级3D打印技术不同的是，FP-TPL技术深入到了液体前驱体材料中，可以制造出仅靠表面加工无法生产的结构，例如具有90度的悬垂结构，该结构长宽比与特征尺寸的长宽比超过1,000：1。在FP-TPL 3D打印过程中，光可以被投射到材料中所需的任何深度。
在实验过程中，研究人员在小于100微米*100微米的基底中打印了1毫米长的悬垂结构，由于液体和固体的密度大约相同，打印速度快，悬垂结构在制造时没有塌陷。除了悬垂结构，研究人员还打印了微柱、长方体、线和螺旋等结构对FP-TPL技术进行验证。打印材料为常规的聚合物前驱体，但研究人员认为该技术也适用于制造前驱体聚合物生成的金属和陶瓷。
研究人员表示，FP-TPL技术的潜在应用是，进行微小零部件的规模化生产，例如生产智能手机中的组件，以及生物支架、柔性电子器件、电化学界面、微光学元件、机械和光学超材料以及其他功能性微结构和纳米结构的部件。
参考资料:
[1]https://rh.gatech.edu/news/627106/3d-printing-technique-accelerates-nanoscale-fabrication-thousandfold#hg-additional-media
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