研究人員開發(fā)多光子焦點3D激光打印技術，使打印速度提高十倍

2024年4月11日，南極熊獲悉，來自卡爾斯魯厄理工學院 (KIT) 和海德堡大學的科學家們開發(fā)多光子焦點3D激光打印技術，加快了復雜 3D 打印的步伐。它使打印速度提高了十倍，同時保持了高精度的細節(jié)。

這項研究以題為“基于 3D 打印衍射光學元件和 3D 打印多透鏡陣列的多光子 (7×7) 聚焦 3D 激光打印機/A multi-photon (7 × 7)-focus 3Dlaser printer based on a 3D-printed diffractive optical element and a3D-printed multi-lens array”的論文被發(fā)表在《Light: AdvancedManufacturing》期刊上。

相關論文鏈接：https://www.light-am.com/article/doi/10.37188/lam.2024.003

多光子3D激光微納打印技術已經(jīng)成為一種成熟和普遍應用的技術，其挑戰(zhàn)在于進一步提高打印速度，增加空間分辨率，提供更多材料，并在大幅降低成本和尺寸的情況下使技術大眾化。

在這里，研究人員基于新一代多光子多焦點飛秒激光器的設備大幅增加了打印速度，即每秒可以打印多少體素。體素指的是它們的尺寸符合雙光子Sparrow標準，即兩個分隔的體素之間的最小距離，由光學衍射極限所規(guī)定。在波長為800納米并且數(shù)值孔徑為1.4的自由空間下，這個限制約為自由空間波長的四分之一，即200納米，橫向約大2.5倍，為500納米。這些雙光子Sparrow標準中的數(shù)字大致等于聚焦點光強輪廓的半高全寬(FWHM)。

圖1：多焦點打印的不同分束方法概述

圖2：圖2 光學系統(tǒng)方案和聚焦質(zhì)量。一種采用低色散分束的光學系統(tǒng)方案

圖3 制造用于光束分裂的微光學元件

圖 4 對 3D 打印的微光學組件進行分析

圖5 衍射光學元件 (DOE) 焦點陣列的光學分析

圖6  使用多光子多焦點 3D 打印制造的用于呼吸藥物輸送的載體顆粒

圖7  包含 77 × 77 ×171 = 1,013,859 個晶胞的大型手性旋轉(zhuǎn)超材料的多光子多焦點 3D 打印

圖8  基于峰值打印速率和體素尺寸的不同 3D 打印技術的比較。本文提出的下一代多光子多焦點3D打印版本超越了10^12體素/秒的打印速度閾值，計算出的衍射極限體素尺寸約為350 nm

研究人員通過戰(zhàn)略性地布置激光束和專門設計的光學元件，可確保最佳聚焦和功率傳輸。這種精密系統(tǒng)擴大了可打印材料的范圍并加速了打印過程，有望在個性化醫(yī)療和微技術中得到應用。

在論文中，研究人員展示了該項技術的兩組應用示例，即（i）填充數(shù)十平方厘米底物的數(shù)百萬定制3D微粒數(shù)組，用于潛在的制藥應用，和（ii）包含超過1.7×10^12個體素的大容量機械超材料，創(chuàng)下了體素數(shù)量最多的記錄。此外，由于基本組件是使用商用設備打印的，因此該技術的經(jīng)濟性和可及性得到了凸顯。

這一進步不僅加速了打印速度，還拓寬了其潛在應用。從革命性材料到定制醫(yī)療植入物，3D 打印的未來有望實現(xiàn)變革性增長。通過突破速度和精度的界限，研究人員正在為微印刷革命鋪平道路，這場微型打印的革命將通過精心制作的體素塑造我們的世界。