Ultraprecieze 3D-printtechnologie is een belangrijke factor voor de productie van nauwkeurige biomedische en fotonische apparaten. Echter, de bestaande printtechnologie wordt beperkt door zijn lage efficiëntie en hoge kosten. Professor Shih-Chi Chen en zijn team van de afdeling Mechanical and Automation Engineering, De Chinese Universiteit van Hong Kong (CUHK), werkte samen met het Lawrence Livermore National Laboratory om de Femtosecond Projection Two-photon Lithography (FP-TPL) printtechnologie te ontwikkelen.

Door het laserspectrum te regelen via tijdelijke focussering, het laser-3D-printproces wordt uitgevoerd in een parallelle laag-voor-laag manier in plaats van punt-voor-punt te schrijven. Deze nieuwe techniek verhoogt de afdruksnelheid aanzienlijk met 1, 000-10, 000 keer, en verlaagt de kosten met 98 procent. De prestatie is onlangs gepubliceerd in Wetenschap , bevestigt de technologische doorbraak die 3D-printen op nanoschaal naar een nieuw tijdperk leidt.

De conventionele 3D-printtechnologie op nanoschaal, d.w.z., twee-foton polymerisatie (TPP), werkt op een punt-voor-punt scan manier. Als zodanig, zelfs een object ter grootte van een centimeter kan enkele dagen tot weken duren om te fabriceren (opbouwsnelheid ~ 0,1 mm ³ /uur). Het proces is tijdrovend en duur, wat praktische en industriële toepassingen in de weg staat. Om de snelheid te verhogen, de resolutie van het eindproduct wordt vaak opgeofferd. Professor Chen en zijn team hebben het uitdagende probleem overwonnen door gebruik te maken van het concept van tijdelijke focus, waarbij een programmeerbare femtoseconde lichtplaat wordt gevormd op het brandpuntsvlak voor parallel nanoschrift; dit komt overeen met het gelijktijdig projecteren van miljoenen laserbrandpunten in het brandpuntsvlak, ter vervanging van de traditionele methode van scherpstellen en scannen van laser op slechts één punt. Met andere woorden, de FP-TPL-technologie kan een heel vlak fabriceren binnen de tijd dat het puntscansysteem een ​​punt fabriceert.

Wat FP-TPL tot een disruptieve technologie maakt, is dat het niet alleen de snelheid aanzienlijk verbetert (ongeveer 10-100 mm ³ /uur), maar verbetert ook de resolutie (~140 nm / 175 nm in de laterale en axiale richtingen) en verlaagt de kosten (US $ 1,5/mm ³ ). Professor Chen wees erop dat typische hardware in een TPP-systeem een ​​femtoseconde laserbron en lichtscanapparatuur omvat, bijv. digitaal microspiegelapparaat (DMD). Aangezien de belangrijkste kosten van het TPP-systeem de laserbron zijn met een typische levensduur van ~20, 000 uur, het verkorten van de fabricagetijd van dagen tot minuten kan de levensduur van de laser aanzienlijk verlengen en indirect de gemiddelde afdrukkosten verlagen van US $ 88/mm ³ tot US$1,5/mm ³ – een reductie van 98 procent.

Vanwege het langzame puntscanproces en het ontbreken van de mogelijkheid om ondersteuningsstructuren af ​​te drukken, conventionele TPP-systemen kunnen geen grote complexe en overhangende constructies maken. De FP-TPL-technologie heeft deze beperking overwonnen door zijn hoge afdruksnelheid, d.w.z., gedeeltelijk gepolymeriseerde delen worden snel samengevoegd voordat ze kunnen wegdrijven in de vloeibare hars, die de fabricage van grootschalige complexe en overhangende constructies mogelijk maakt, zoals weergegeven in figuur 1 (G). Professor Chen zei dat de FP-TPL-technologie vele velden ten goede kan komen; bijvoorbeeld, nanotechnologie, geavanceerde functionele materialen, micro-robotica, en medische en medicijnafgifteapparaten. Vanwege de aanzienlijk hogere snelheid en lagere kosten, de FP-TPL-technologie heeft het potentieel om in de toekomst op verschillende gebieden te worden gecommercialiseerd en op grote schaal te worden toegepast, fabricage van meso- tot grootschalige apparaten.