研究人員開發(fā)一種雙激光方法可以降低高分辨率3D打印的成本

2024年7月3日，南極熊獲悉，普渡大學的研究人員開發(fā)出一種新型雙光子聚合技術，利用兩束激光來3D打印復雜的高分辨率結(jié)構(gòu)。

△激光閾值功率約為50%時的3D打印結(jié)構(gòu)。標尺：5微米

傳統(tǒng)的雙光子聚合技術通常使用昂貴的飛秒激光器，這限制了它在制造業(yè)中的廣泛應用，盡管該技術非常適合制造高分辨率微結(jié)構(gòu)。為了解決成本和效率問題，研究團隊結(jié)合了可見光激光器和紅外脈沖飛秒激光器，降低了飛秒激光器的功率需求，并提高了打印吞吐量。

△該研究的題目為“基于集成光纖耦合激光二極管的兩步吸收技術的高分辨率3D納米打印技術”（傳送門）

研究人員在《Optics Express,》雜志上指出，他們的雙激光方法能夠?qū)⑺�需的飛秒激光3D打印功率降低多達50%。這一創(chuàng)新不僅有助于降低單個部件的制造成本，還提升了打印過程的效率和可行性，為3D打印技術在復雜組件制造和定制產(chǎn)品領域的應用開辟了新的可能性。

普渡大學研究小組負責人Xianfan Xu說道：“高分辨率3D打印有很多應用，包括3D電子設備、生物醫(yī)學領域的微型機器人以及組織工程的三維結(jié)構(gòu)或支架。我們新穎的3D打印方法可以在許多現(xiàn)有的飛秒激光3D打印系統(tǒng)中輕松實現(xiàn)�！�

△動圖顯示僅使用飛秒激光以50%的閾值功率進行打印，結(jié)果打印不成功（左圖）。當?shù)诙�臺激光器（綠色）與飛秒激光器一起使用50%的閾值功率時，打印成功

找到正確的激光平衡

這項新工作是研究團隊努力提高雙光子聚合印刷速度和降低打印成本的一部分。雙光子聚合利用雙光子吸收現(xiàn)象來精確固化或凝固光敏材料。

Xu說道：“在傳統(tǒng)的雙光子聚合3D打印過程中，飛秒激光首先用于啟動光化學過程，減少打印前材料中的抑制物種。我們采用了低成本激光器來實現(xiàn)這一目的�！�

新方法結(jié)合了532納米納秒激光的單光子吸收和800納米飛秒激光的雙光子吸收。為使其有效，研究人員必須在兩種激光的打印和抑制效果之間找到適當?shù)钠胶狻?br />
為此，他們創(chuàng)建了一個新的數(shù)學模型，幫助他們理解相關的光化學過程，并計算雙光子和單光子激發(fā)過程的綜合效應。利用該模型，他們還確定了控制飛秒激光功率降低程度的主要過程，以獲得理想的打印效果。

△一種新的雙光子聚合技術將相對低成本的納秒脈沖激光器與低功率的飛秒激光器相結(jié)合，從而能夠以較低的激光功率3D打印復雜的高分辨率結(jié)構(gòu)

打印高分辨率結(jié)構(gòu)

在對新方法進行微調(diào)后，他們利用這種方法，以較低的飛秒激光功率打印出各種二維和三維結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)包括尺寸僅為25×25×10μm的精細木樁，以及微米級降壓球、手性結(jié)構(gòu)和三葉形結(jié)。實驗結(jié)果表明，新方法將二維結(jié)構(gòu)所需的飛秒激光功率降低了80%，將三維結(jié)構(gòu)所需的飛秒激光功率降低了約50%。

這一進展可以降低高分辨率3D打印工藝的成本，幫助它在各種應用中得到更廣泛的應用。Xu補充道：“這種新的打印方法可能會對制造技術產(chǎn)生影響，影響現(xiàn)在和未來消費電子和醫(yī)療保健領域的設備開發(fā)�！�