FP-TPL basato sulla focalizzazione spaziale e temporale. Attestazione:CUHK
La tecnologia di stampa 3D ultraprecisa è un fattore chiave per la produzione di dispositivi biomedici e fotonici di precisione. Però, la tecnologia di stampa esistente è limitata dalla sua bassa efficienza e dall'alto costo. Il professor Shih-Chi Chen e il suo team del Dipartimento di Ingegneria Meccanica e dell'Automazione, L'Università cinese di Hong Kong (CUHK), ha collaborato con il Lawrence Livermore National Laboratory per sviluppare la tecnologia di stampa Femtosecond Projection Two-photon Lithography (FP-TPL).
Controllando lo spettro laser tramite la messa a fuoco temporale, il processo di stampa 3D laser viene eseguito in modo parallelo strato per strato invece della scrittura punto per punto. Questa nuova tecnica aumenta sostanzialmente la velocità di stampa di 1, 000-10, 000 volte, e riduce il costo del 98 percento. Il risultato è stato recentemente pubblicato su Scienza , affermando la sua svolta tecnologica che porta la stampa 3D su nanoscala in una nuova era.
La tradizionale tecnologia di stampa 3D su nanoscala, cioè., polimerizzazione a due fotoni (TPP), opera in modalità di scansione punto per punto. Come tale, anche un oggetto delle dimensioni di un centimetro può richiedere diversi giorni o settimane per essere fabbricato (velocità di costruzione ~ 0,1 mm 3 /ora). Il processo è lungo e costoso, che impedisce applicazioni pratiche e industriali. Per aumentare la velocità, la risoluzione del prodotto finito è spesso sacrificata. Il professor Chen e il suo team hanno superato l'impegnativo problema sfruttando il concetto di focalizzazione temporale, dove viene formato un foglio di luce a femtosecondi programmabile sul piano focale per la nanoscrittura parallela; ciò equivale a proiettare simultaneamente milioni di fuochi laser sul piano focale, sostituendo il metodo tradizionale di messa a fuoco e scansione laser in un solo punto. In altre parole, la tecnologia FP-TPL può fabbricare un intero piano entro il tempo in cui il sistema di scansione dei punti fabbrica un punto.
Fig. 1. Stampa di strutture 3D complesse con risoluzione submicronica tramite FP-TPL. (da A a C) Struttura in scala millimetrica con caratteristiche submicrometriche supportate su un penny americano sopra una superficie riflettente. Il parallelepipedo da 2,20 mm × 2,20 mm × 0,25 mm è stato stampato in 8 minuti e 20 secondi, dimostrando una velocità di stampa 3D di 8,7 mm3/ora. In contrasto, le tecniche di scansione dei punti richiederebbero diverse ore per stampare questo parallelepipedo. (D) Un micropillar 3D stampato attraverso l'impilamento di strati 2D, dimostrando un'uniformità di stampa indistinguibile da quella dei sistemi commerciali di scansione seriale. (E e F) Strutture a spirale stampate attraverso la proiezione di un singolo strato che dimostrano la capacità di stampare rapidamente strutture curvilinee all'interno di scale temporali di millisecondi a una cifra senza alcun movimento di scena. (G a J) Strutture 3D sporgenti stampate cucendo più proiezioni 2D che dimostrano la capacità di stampare caratteristiche risolte in profondità. La struttura del ponte in (G), con angoli di sbalzo di 90°, è difficile da stampare utilizzando tecniche TPL a scansione di punti o qualsiasi altra tecnica a causa della sua grande sporgenza rispetto alla dimensione della caratteristica più piccola e alla risoluzione della caratteristica inferiore al micron. Credito:Università cinese di Hong Kong (CUHK)
Fig. 2. Nanofili stampati che dimostrano la risoluzione su scala nanometrica di FP-TPL. (A) Larghezza (lungo la direzione laterale) e (B) altezza (lungo la direzione assiale) dei nanofili sospesi stampati in condizioni diverse. La larghezza delle linee nel modello DMD proiettato è stata variata da 3 a 6 pixel con un periodo fisso di 30 pixel. Ciascun pixel (px) è mappato a 151 nm nell'immagine proiettata. Etichette HP, parlamentare, e LP si riferiscono ad alta (42 nW/px), medio (39 nW/px), e bassi livelli di potenza (35 nW/px), rispettivamente. Tutti i marker di una forma specifica rappresentano punti dati generati allo stesso livello di potenza, e tutti i marcatori di un colore specifico rappresentano la stessa larghezza della linea. La stampa è stata eseguita con un laser a femtosecondi che aveva una lunghezza d'onda centrale di 800 nm e una larghezza di impulso nominale di 35 fs e con una lente obiettivo con apertura numerica 60 × 1,25. (C e D) Scansione di immagini al microscopio elettronico delle caratteristiche dei nanofili sospesi. Credito:Università cinese di Hong Kong (CUHK)
Ciò che rende FP-TPL una tecnologia dirompente è che non solo migliora notevolmente la velocità (circa 10—100 mm 3 /ora), ma migliora anche la risoluzione (~140 nm / 175 nm nelle direzioni laterale e assiale) e riduce il costo (US$1.5/mm 3 ). Il professor Chen ha sottolineato che l'hardware tipico in un sistema TPP include una sorgente laser a femtosecondi e dispositivi di scansione della luce, per esempio., dispositivo digitale a microspecchi (DMD). Poiché il costo principale del sistema TPP è la sorgente laser con una durata tipica di ~20, 000 ore, ridurre il tempo di fabbricazione da giorni a minuti può prolungare notevolmente la durata del laser e ridurre indirettamente il costo medio di stampa da US $ 88/mm 3 a 1,5 USD/mm 3 – una riduzione del 98 per cento.
A causa del lento processo di scansione dei punti e della mancanza di capacità di stampare strutture di supporto, i sistemi TPP convenzionali non possono fabbricare grandi strutture complesse e sporgenti. La tecnologia FP-TPL ha superato questa limitazione grazie alla sua elevata velocità di stampa, cioè., le parti parzialmente polimerizzate si uniscono rapidamente prima che possano allontanarsi nella resina liquida, che consente la realizzazione di strutture complesse e a sbalzo di grandi dimensioni, come mostrato nella Figura 1 (G). Il professor Chen ha affermato che la tecnologia FP-TPL può avvantaggiare molti campi; Per esempio, nanotecnologia, materiali funzionali avanzati, micro-robotica, e dispositivi medici e di consegna di farmaci. A causa della sua velocità notevolmente aumentata e dei costi ridotti, la tecnologia FP-TPL ha il potenziale per essere commercializzata e ampiamente adottata in vari campi in futuro, fabbricazione di dispositivi da meso a dispositivi su larga scala.
