德國“分光束”雙光子3D打印技術，速度提高近百倍創(chuàng)世界紀錄

南極熊導讀：超高精細度的3D打印技術，是否也可以實現(xiàn)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(xiàn)了高精細度的3D打印，內部含有3000億個體素

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，可以實現(xiàn)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(chuàng)造了新的世界紀錄。

根據(jù)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(shù)十萬個體素的最大打印速度（體素是3D網(wǎng)格中的單個數(shù)據(jù)點）。盡管這聽起來可能非常快，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(guī)模并行雙光子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。棱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，然后使用另一個繼電器（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，并聚焦在樣品上。顯微鏡載物臺（Märzhäuser-WetzlarScan IM 120×100）在x和y方向上平移樣品。壓電慣性位移臺（PI Q-545.140）沿z方向移動位移臺。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的研究者合作，設計了一種新系統(tǒng)，將通常的一束激光分成九束。所有這些“子光束”都獨立但同時移動，每個子光束聚焦在光聚合反應不同區(qū)域上。結果實現(xiàn)了每秒大約1000萬體素的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(xiàn)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(shù)。
• 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(shù)）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(guī)模并行雙光子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，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�。↖J，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(xù)液面打�。–LIP，深綠色圓圈），計算機軸向光刻（CAL，黃色星號）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�。�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(fā)，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(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): 570)

2020-2-6 17:46 上傳

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