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3D打印

TPP 雙光子3D打印:神奇的納米級3D打印技術

發布日期:2022-10-11 點擊率:4113 品牌:組態王_Kingview

2015年10月,習大大在訪問英國期間參觀了著名的英國帝國理工學院,得到了學院楊廣中教授贈送的特殊禮物--打印在一塊正方形硅片上的一段只有100微米長的中國長城。這種神奇的技術就是雙光子3D打印技術,使用材料為光敏材料。聽著離普通人很遙遠是吧?實際上,我國在雙光子3D打印技術方面領先世界。據了解,中科院在雙光子3D打印領域已經開展了十幾年的研究,并取得了一系列研究成果。

雙光子3D打印(Two-photonpolymerization,TPP),學名為雙光子激光直寫技術、雙光子聚合光固化成形技術。常見的3D打印機工作原理都是分層制造,層與層之間的精度很受限,存在所謂的“臺階效應”。這使得3D打印機難以制造低粗糙度、高精度的器件,如各種光學元件、微納尺度的結構器件等等。而雙光子3D打印技術的出現有望完美解決這個問題。

習近平總書記在倫敦皇家學院收到的3D打印長城(長度100微米)

為了幫助大家更好地理解這項技術,首先要知道什么叫做“雙光子吸收效應。”SLA/DLP或是PolyJet技術所利用的都是單光子聚合,將一個光子作為基礎單位進行吸收,一次只能通過一個光子。但是實際上,極少數情況下,由于物質中存在特殊的能級躍遷模式,也會出現同時吸收兩個光子的情況,這就是“雙光子吸收效應”。但雙光子吸收的條件非常苛刻,它要求特定的物質和極高的能量密度。只有在高度聚焦的激光中心部位,才會有足夠高的輻照度來確保有兩個光子同時被吸收。

單光子聚合(左)與雙光子聚合(右)對比示意圖(圖片來源:南極熊)

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TPP雙光子3D打印技術原理示意圖(圖片來源:南極熊)

利用了TPP雙光子3D打印技術,打印精度可以達到納米級。通過將激光聚焦在光敏樹脂內,計算機控制移動納米級精密移動臺,焦點經過的位置,光敏樹脂會變性、固化,從而可以打印任意形狀的三維物體。由于雙光子聚合發生的固化只發生在激光聚焦的光敏樹脂槽中央,而不是像SLA/DLP一樣發生在樹脂槽液面或者樹脂槽底部,因此,使用TPP技術的3D打印機無需將打印件從樹脂槽底部剝離,也無需安裝刮刀進行光敏樹脂液面的涂覆。

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TPP雙光子3D打印機(圖片來源:南極熊)

TPP技術是現在市面精度最高的3D打印技術。TPP技術廣泛應用于微光學,微電子,微流控,微器件等領域,它給3D打印從業者和科學家提供了一種強有力的解決方案,來設計和加工多種多樣的微納結構。

TPP技術最典型的應用是在科研領域。

光子晶體(Photonic Crystal)的單元結構極其微小,加工起來非常困難。使用TPP技術則可以非常方便地加工出這種周期性排列的微納結構。

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利用TPP技術加工的三維光子晶體

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科學家利用TPP技術在光纖頂端加工的內窺鏡

TPP技術也被應用在藝術領域。2014年,藝術家Jonty Hurwitz與Weitzmann Institute of Science的科學家合作,利用TPP技術在一根針上制成了世界上最小的雕塑。

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利用TPP技術打印的雕塑作

下圖為利用TPP技術加工的微納雕塑作品

雙光子3D打印技術制作的泰姬陵模型

雙光子3D打印技術制作的F1賽車

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利用TPP技術制作的勃蘭登堡門模型

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雙光子3D打印技術制作的自由女神像


尤達大師

雖然雙光子激光直寫技術在微納尺度加工領域具有極大的優勢,但并非全無缺點。與膠片拍攝圖像類似,TPP的光敏材料需要進行顯影和定影等過程,從而將打印的3D物體固定下來,因此加工過程更為繁瑣。

從上文敘述中可以看出,這項技術能否成功的關鍵很大程度上取決于納米精度的移動臺,因此運動系統極其精密且昂貴。下圖是一臺典型雙光子直寫儀的基本配置,從軟件到硬件需要完美配合,所以往往造價不菲。

典型的TPP打印系統基本配置

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