La stampa 3D a proiezione al femtosecondo accelera 2PP fino a 10.000X
Processo FP-TPL sviluppato dall’Università cinese di Hong Kong e LLNL
La tecnologia di stampa 3D ultraprecisa è un fattore chiave per la produzione di dispositivi biomedici e fotonici di precisione. Tuttavia, la tecnologia di stampa esistente è limitata dalla sua bassa efficienza e dai costi elevati. Il professor Shih-Chi Chen e il suo team del Dipartimento di Ingegneria Meccanica e dell’Automazione, Università Cinese di Hong Kong (CUHK), hanno collaborato con il Lawrence Livermore National Laboratory per sviluppare il processo di stampa 3D della proiezione al femtosecondo come evoluzione della litografia a due fotoni , da cui la sigla FP-TPL tecnologia di stampa. La storia è stata riportata da Phys.org .
Il nuovo processo implementa un approccio “planare” alla tecnologia di polimerizzazione a due fotoni (2PP o TPP), controllando lo spettro laser tramite la messa a fuoco temporale , una tecnica di microscopia che utilizza il multifotone per catturare rapidamente un intero piano anziché un singolo punto. Nella stampa 3D, il processo di vulcanizzazione laser viene eseguito parallelamente strato per strato anziché con la scrittura punto per punto. Questa nuova tecnica aumenta sostanzialmente la velocità di stampa di 1.000-10.000 volte e riduce i costi del 98 percento. Il risultato è stato recentemente pubblicato anche su Science Journal, confermando la sua svolta tecnologica che porta la stampa 3D su scala nanometrica in una nuova era.
La convenzionale tecnologia di stampa 3D su nanoscala, ovvero la polimerizzazione a due fotoni (TPP o 2PP), opera in modo scansione punto per punto. Pertanto, anche un oggetto delle dimensioni di un centimetro può richiedere alcuni giorni o settimane (velocità di costruzione ~ 0,1 mm3 / ora). Il processo richiede tempo e denaro, il che impedisce applicazioni pratiche e industriali. Per aumentare la velocità, la risoluzione del prodotto finito viene spesso sacrificata.
Il professor Chen e il suo team hanno superato il difficile problema sfruttando il concetto di messa a fuoco temporale, in cui un foglio di luce a femtosecondi programmabile si forma sul piano focale per la nanotrite parallela; questo equivale a proiettare simultaneamente milioni di focolai 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 produce un punto.
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, ovvero le parti parzialmente polimerizzate vengono rapidamente unite prima che possano spostarsi nella resina liquida, il che consente la fabbricazione di strutture complesse e sporgenti su larga scala, come mostrato in Figura 1 (G).
Il professor Chen ha affermato che la tecnologia FP-TPL può essere utile a molti settori; ad esempio, nanotecnologia, materiali funzionali avanzati, micro-robotica e dispositivi medici e di somministrazione di farmaci. A causa della sua considerevolmente aumentata velocità e costi ridotti, la tecnologia FP-TPL ha il potenziale per essere commercializzata e ampiamente adottata in futuro in vari campi, fabbricando dispositivi di dimensioni medio-grandi.
Stampa 3D a proiezione al femtosecondo
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 variava da 3 a 6 pixel con un periodo fisso di 30 pixel. Ogni pixel (px) viene mappato a 151 nm nell’immagine proiettata. Le etichette HP, MP e LP si riferiscono rispettivamente a livelli di potenza elevati (42 nW / px), medi (39 nW / px) e bassi (35 nW / px). Tutti i marker di una forma specifica rappresentano i punti dati generati allo stesso livello di potenza e tutti i marker 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 un 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 la stampa 3D a proiezione al femtosecondo o FP-TPL una tecnologia rivoluzionaria è che non solo migliora notevolmente la velocità (circa 10—100 mm3 / ora), ma migliora anche la risoluzione (~ 140 nm / 175 nm nelle direzioni laterale e assiale ) e riduce il costo (a US $ 1,5 / mm3). 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, ad esempio un dispositivo a micromirror digitale (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 indirettamente ridurre il costo medio di stampa da US $ 88 / mm3 a US $ 1,5 / mm3 – una riduzione del 98 percento.
Fig. 1. Stampa di strutture 3D complesse con risoluzione submicronica tramite FP-TPL. (Da A a C) Struttura in scala millimetrica con funzioni submicrometriche supportate su un penny americano sopra una superficie riflettente. Il cuboide 2,20 mm × 2,20 mm × 0,25 mm è stato stampato in 8 min 20 secondi, a dimostrazione di una velocità di stampa 3D di 8,7 mm3 / ora. Al contrario, le tecniche di scansione dei punti richiederebbero diverse ore per stampare questo cuboide. (D) Un micropillar 3D stampato attraverso l’impilamento di strati 2D, dimostrando l’uniformità della stampa indistinguibile da quella dei sistemi commerciali di scansione seriale. (E e F) Strutture a spirale stampate attraverso la proiezione di un singolo strato dimostrando la capacità di stampare rapidamente strutture curvilinee all’interno di scale temporali a una cifra di millisecondi senza alcun movimento dello stadio. (Da G a J) Strutture 3D a sbalzo stampate cucendo più proiezioni 2D che dimostrano la capacità di stampare funzioni risolte in profondità. La struttura del ponte in (G), con angoli di sporgenza di 90 °, è difficile da stampare usando le 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 del submicron. Credito: l’Università cinese di Hong Kong (CUHK).