Science发表3D打印最新成果!可扩展的亚微米级增材制造

江苏激光联盟导读：

据悉，使用光来制造具有光聚合作用的材料来形成三维结构是双光子光刻打印的基础。然而， 在使用此技术进行打印的时候需要在打印的速度和打印的分辨率之间进行权衡。《Science》发表了一种优化的新的依赖超快激光进行并行打印技术，并且该技术呈现出显著的高速的打印速度且可以保证在亚微米的打印分辨率的精度。

FP-TPL技术打印的微柱阵列（7 mm×7 mm，包含900个微柱），用时仅为90分钟，而常规TPL技术需要至少一天以上。图片来源：Vu Nguyen & Sourabh Saha /Science

成果简介：

高通量制造技术来产生任意复杂的三维结构且具有纳米尺度分辨率的特征在广阔的应用范围内具有理想的应用需求。双光子光刻技术（Two-photon lithography
(TPL)）为基础的亚微米级别的增材制造技术是有望填补这一空白的理想技术。然而，TPL技术的点点打印的特点在应用时存在打印速度过慢的弊端。如果尝试使用并行打印的办法，要么存在亚微米的打印精度不能保证的后果，要么不能满足打印复杂的结构。《Science》报道了一种通过空间和时间上聚焦超快激光来实施一个投影来实现层层并行打印来克服了以上的弊端。这一办法可以使得高通量打印效果提高到三倍的数量级，并拓展了打印形状设计的空间范围。研究人员同时展示使用这一方法进行打印的效果，时间尺度为一位数毫秒尺度，纳米线的宽度小于175nm，区域为截面的一百万次的倍数以上。

在一个反射的表面上打印的毫米尺度的结构具有亚微米的分辨率特征的一个便士硬币

使用一个新的时间为基础的办法来控制从超快激光发射出来的光，研究人员发展了一个纳米尺度的3D打印技术，该技术可以制造出微小的结构且制造速度是传统的双光子光刻技术（two-photon lithography (TPL)）的1000 倍以上，且在打印时不会牺牲打印的精度。

在时间和空间聚焦的基础上形成的飞秒投影TPL

尽管高通量制造技术已经存在，但这一新的并行打印技术——称之为飞秒投影打印技术（ femtosecond projection TPL (FP-TPL)）——可以制造出深度分辨率为175
ｎｍ的结构来，这一效果已经比现有的制造技术要先进得多，并且可以制造出结构超过90°的悬垂结构来，这是目前其他技术所不能实现的。这一技术将会导致制造生物支架，柔性电子，电化学界面，微光学，机械和光学超材料以及其他功能微纳结构的批量制造成为可能。

使用飞秒投影TPL技术打印的具有亚微米分辨率的复杂的３D结构

以上提到的这一工作，发表在顶刊《Science》上，这一工作是来自美国的劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL)）和中国香港中文大学的联合研究的结果。

现有的纳米级别的增材制造技术使用单点高能量密度的光——典型的为 700 到 800ｎｍ的直径——来将光聚合物材料从液态转换成固态材料。因为点扫描必须扫描整个待制造的结构，使得现有的TPL技术需要几个小时才能制造出一个复杂的３D结构，这就限制了该技术在实际场合中的应用。

新技术不使用单点扫描，研究人员使用同时投影百万个点的办法，从而显著的增加了打印的速度，这是因为该技术不再是逐渐点打印来扫描整个结构来制造物体，研究人员使用一个投影的光来投射出一个整个平面来。代替聚焦整个点的扫描聚焦的办法，研究人员使用聚焦的整个平面来图案化而形成一个任意结构的物体来。

为了能够获得百万个点，研究人员使用一个数字掩膜，这是一个同投影技术相类似的技术来制造出图像和视频。此时，这一掩膜控制飞秒激光在聚合物材料先驱体中来制造出理想的图案。光强度可以导致聚合反应的发生，从而将液体转换成固体，此时就形成了３D结构。

通过在空间搭接几个投影而产生的成叠的3D 环结构。任意复杂的3D 结构可以通过本文过深度分辨率的3D 打印技术来实现

制造结构时的每一层通过35飞秒的高强度光进行照射而形成。投影仪和掩膜用来制造层层的堆积直到整个结构得以形成。液态的聚合物然后就移除,留下凝固的固体。FP-TPL技术使得研究人员可以在8分钟时间制造出来一个结构来，而同样的结构在以前则需要好几个小时才能完成。

这一并行的双光子系统的发明在纳米尺度的制造上取得了重要的突破,将会使得材料的性能和结构在这一尺寸实现有用部件的制造。

不像消费级别的3D打印可以使用粒子喷射到物体的表面,新技术可以深入到液态前驱体的内部，使得制造不再局限于表面进行制造。例如，该技术可以制造出以前几乎不可能制造的90°的悬垂结构，同时制造出超过 1,000:1纵横比长度的特征尺寸的物体。可以投射光到我们所需要打印材料的任何深度，因此我们可以非常轻松的制造出悬垂的3D结构来。

研究人员打印了一个mm级别长度的悬垂结构,尺度为100μm×100μm。这一结构不会在制造的时候发生碰撞，这是因为液态和固态几乎为同一密度，在制造的时候液态材料没有时间来发生分散。

研究人员同时还进行了大量结构的打印来展示这一技术，包括微柱,长方骨，木桩、线和螺旋。研究人员使用传统的前驱体进行的目前实验，但研究人员相信该技术对金属和陶瓷在使用前驱体时也同样有效。

这一技术真实的应用在于工业规模生产中的小器件的制造上，也许会集成在大的产品的制造上，诸如智能手机的制造。下一步，研究人员将展示打印其他材料以拓展材料的应用范围。

通过多重缝合 2D投影技术制造出来的悬垂3D结构,显示出可以打印深度分辨能力特征的材料

▲图解:该桥接结构,具有90°的悬垂结构,这一结构在使用点扫描的TPL技术的时候是非常困难的

研究人员在这一领域研究了好多年,一直致力于将双光子光刻技术用来制造纳米尺度的3D结构。该研究团队成功的利用一种不同的办法来聚焦光,使用它的时间占据主导的性质,使得制造非常薄的层且具有高的分辨率,即微小精细的结构成为可能。

使用飞秒激光使得研究团队可以保持光的强度来追踪双光子的工艺过程来进行聚合,而同时保持点的尺寸比较薄。在 FP-TPL技术当中,飞秒脉冲激光在穿过光学系统进行补偿时间上的聚焦时会被拉伸和压缩。这一过程,就会产生3D结构的特征小于衍射极限,聚焦光的点,需要双光子同时轰击液态前驱体分子。

传统的打印技术,在打印速度和打印精度上需要进行权衡,如果你加快了打印速度,那么你将失去相应的打印精度.而目前的这一技术则打破了这个工程上需要考虑的平衡问题,使得在打印最小分辨率特征的物体的时候比以前快1000倍。

研究人员将继续开展相应的工作,他们将研究在其他材料上打印的适用性以期在将来进行可持续的打印。

从目前的工作来看，研究人员实现了打印速度和打印精度之间同时取得好成绩的令人振奋的结果。下一步就在于如何预测打印的特征和如何控制在大面积打印时的质量问题。这些工作需要我们对工艺本身具有更深入的理解。