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卡尔斯鲁厄理工学院《Nature Photonics》:通过双色两步吸收进行光片 3D 微打印

卡尔斯鲁厄理工学院《Nature Photonics》:通过双色两步吸收进行光片 3D 微打印

  • 分类:行业动态
  • 发布时间:2022-11-15 15:57
  • 访问量:

【概要描述】

卡尔斯鲁厄理工学院《Nature Photonics》:通过双色两步吸收进行光片 3D 微打印

【概要描述】

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​2022年10月13日,卡尔斯鲁厄理工学院Vincent Hahn等《Nature Photonics》 ( IF 39.728 ) 上发表题为Light-sheet 3D microprinting via two-colour two-step absorption(通过双色两步吸收进行光片 3D 微打印)的研究论文,该研究报道了一种称之为光片3D激光显微打印的打印方法,该方法结合了图像投影和基于双色两步吸收的AND型光学非线性。

原文链接:

https://doi.org/10.1038/s41566-022-01081-0

  文章简介  

聚合物的高速高分辨率3D打印在许多应用中是非常可取的,但在技术上仍然具有挑战性。如今,基于光学的打印技术处于领先地位。基于投影的线性光学方法已经实现了大约10°体素s-1的高打印率,尽管体素体积为>100 μm3。基于扫描的非线性光学方法已经实现了< 1μm3的体素体积,但打印速度低,或由于需要飞秒激光器而成本高。本研究展示了一种称之为光片3D激光显微打印的打印方法。它结合了图像投影和基于双色两步吸收的AND型光学非线性。下垫光树脂由2,3-丁二酮作为光引发剂,(2,2,6,6-四甲基哌啶1-基)氧基作为清道夫,二季戊四醇六丙烯酸酯作为多功能单体组成。采用440 nm波长的连续波激光二极管进行投影,660 nm波长的连续波激光用于光片,在0.55 μm的体素体积下,实现了7 x 106体素s-1的峰值打印速率。

  研究背景  

三维(3D)增材制造的目标是制造复杂的3D(聚合物)零件,比成熟的技术(例如注塑)更灵活,精度更高,速度更快,成本更经济。今天,3d打印已经更加灵活,因为不需要铸件。虽然铸造的铣削已经达到微米精度,成型和减法制造过程对制造的几何形状施加了3D打印所没有的限制。此外,3D打印早就达到了亚微米级,这在其他情况下是不容易实现的。然而,在注射成型中,每个零件的制造时间约为几秒钟。目前的3D打印机速度要慢得多,这种速度缓慢显然与较高的制造成本有关,这使得3D打印速度的提高成为3D增材制造领域的一个主要挑战。

  研究内容解读  

本研究演示了轻薄板3D微型打印,体素体积为0.55 μm3,峰值体素打印速率为7 x 106体素s-1。这一重大进展是由一种合适的光引发剂系统实现的,该系统由双色两步引发剂双乙酰和TEMPO(同时充当猝灭剂和清除剂)组成。对潜在机制进行了深入分析,包括聚合过程的速率模型分析。我们已经展示了该光引发器系统的3D打印功能,使用专用的光片3D打印设置,包含红色和蓝色连续波激光源。此外,3D打印工作在几分之一秒内就完成了。使用光片3D打印,每个零件的打印时间现在已经接近传统的注塑制造时间。然而,对于3D轻薄板微缩打印的广泛应用,有三个方面需要进一步改进。首先,目前样品制作的总时间主要是样品处理,即打印设置、样品运输和显影。这些步骤可以自动化,例如,通过使用微流体*2,或通过自动将样品浸入液体容器中。其次,这里介绍的光树脂限制了总暴露体积。长时间印刷后,焦外区域由于邻近效应而聚合。这种积累或损耗效应可以通过使用进一步改进的光树脂配方来抑制。从本文给出的速率模型分析中可以推导出优化的方向。第三,红色固态激光器可以被廉价的高功率激光二极管所取代,就像蓝色激光器已经实现的那样。与FP-TPL中使用的放大飞秒脉冲激光器相比,本研究中使用的连续波激光器已经便宜得多,操作也容易得多。在这方面,非常需要研制灵敏度提高的双色两步光引发剂,并将其调到易于获得的激光波长。潜在的逻辑和类型功能并不局限于轻薄板3D打印,但也可以与CAL-7相结合,其双色投影系统最近被演示用于多材料3D打印。相关的CAL设置可以用来同时暴露光树脂使用双色两步吸收,两种颜色从不同的方向撞击,从而减少接近效应和体素大小。

图1两步吸收光引发的薄板3D打印。

图2 含双乙酰光树脂的双色点扫描聚合阈值实验。

图3 轻型3D打印设置。

图4 悬空线作为3D打印体素大小基准。

图5 飞行片3D打印微型物体的斜视扫描电镜图像。

——END——

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