FP-TPL basado en enfoque espacial y temporal. Crédito:CUHK
La tecnología de impresión 3D ultraprecisa es un habilitador clave para la fabricación de dispositivos biomédicos y fotónicos de precisión. Sin embargo, la tecnología de impresión existente está limitada por su baja eficiencia y alto costo. El profesor Shih-Chi Chen y su equipo del Departamento de Ingeniería Mecánica y Automática, La Universidad China de Hong Kong (CUHK), colaboró con el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore para desarrollar la tecnología de impresión de Litografía de Dos Fotones con Proyección de Femtosegundos (FP-TPL).
Controlando el espectro láser a través del enfoque temporal, el proceso de impresión láser 3-D se realiza en paralelo capa por capa en lugar de escritura punto por punto. Esta nueva técnica aumenta sustancialmente la velocidad de impresión en 1, 000-10, 000 veces, y reduce el costo en un 98 por ciento. El logro ha sido publicado recientemente en Ciencias , afirmando su avance tecnológico que lleva a la impresión 3D a nanoescala a una nueva era.
La tecnología de impresión 3D a nanoescala convencional, es decir., polimerización de dos fotones (TPP), opera en una forma de escaneo punto por punto. Como tal, incluso un objeto del tamaño de un centímetro puede tardar varios días o semanas en fabricarse (velocidad de construcción ~ 0,1 mm 3 /hora). El proceso requiere mucho tiempo y es caro, lo que evita aplicaciones prácticas e industriales. Para aumentar la velocidad, la resolución del producto terminado a menudo se sacrifica. El profesor Chen y su equipo han superado el desafiante problema explotando el concepto de enfoque temporal, donde se forma una hoja de luz de femtosegundos programable en el plano focal para la nanoescritura paralela; esto equivale a proyectar simultáneamente millones de focos láser en el plano focal, reemplazando el método tradicional de enfoque y escaneo láser en un solo punto. En otras palabras, la tecnología FP-TPL puede fabricar un plano completo dentro del tiempo que el sistema de escaneo de puntos fabrica un punto.
Fig. 1. Impresión de estructuras 3D complejas con resolución submicrónica mediante FP-TPL. (A a C) Estructura de escala milimétrica con características submicrométricas apoyadas en un centavo estadounidense sobre una superficie reflectante. El cuboide de 2,20 mm x 2,20 mm x 0,25 mm se imprimió en 8 min 20 s, demostrando una velocidad de impresión 3D de 8,7 mm3 / hora. A diferencia de, Las técnicas de escaneo puntual requerirían varias horas para imprimir este cuboide. (D) Un micropilar 3D impreso a través del apilamiento de capas 2D, demostrando uniformidad de impresión que es indistinguible de la de los sistemas comerciales de escaneo en serie. (E y F) Estructuras en espiral impresas a través de la proyección de una sola capa que demuestra la capacidad de imprimir rápidamente estructuras curvilíneas en escalas de tiempo de milisegundos de un solo dígito sin ningún movimiento de escenario. (G a J) Estructuras sobresalientes en 3D impresas uniendo múltiples proyecciones 2D que demuestran la capacidad de imprimir características con resolución de profundidad. La estructura del puente en (G), con ángulos de voladizo de 90 °, Es un desafío imprimir utilizando técnicas TPL de escaneo de puntos o cualquier otra técnica debido a su gran voladizo en relación con el tamaño de la característica más pequeña y la resolución de la característica submicrónica. Crédito:Universidad China de Hong Kong (CUHK)
Fig. 2. Nanocables impresos que demuestran la resolución a nanoescala de FP-TPL. (A) Ancho (a lo largo de la dirección lateral) y (B) altura (a lo largo de la dirección axial) de los nanocables suspendidos impresos en diferentes condiciones. El ancho de las líneas en el patrón DMD proyectado se varió de 3 a 6 píxeles con un período fijo de 30 píxeles. Cada píxel (px) se asigna a 151 nm en la imagen proyectada. Etiquetas HP, MP, y LP se refieren a alto (42 nW / px), medio (39 nW / px), y niveles de potencia bajos (35 nW / px), respectivamente. Todos los marcadores de una forma específica representan puntos de datos generados al mismo nivel de potencia, y todos los marcadores de un color específico representan el mismo ancho de línea. La impresión se realizó con un láser de femtosegundos que tenía una longitud de onda central de 800 nm y un ancho de pulso nominal de 35 fs y con un objetivo de apertura numérica de 60 × 1,25. (C y D) Imágenes de microscopio electrónico de barrido de las características de los nanocables suspendidos. Crédito:Universidad China de Hong Kong (CUHK)
Lo que hace que FP-TPL sea una tecnología disruptiva es que no solo mejora en gran medida la velocidad (aproximadamente de 10 a 100 mm 3 /hora), pero también mejora la resolución (~ 140 nm / 175 nm en las direcciones lateral y axial) y reduce el costo (US $ 1,5 / mm 3 ). El profesor Chen señaló que el hardware típico en un sistema TPP incluye una fuente láser de femtosegundos y dispositivos de escaneo de luz. p.ej., dispositivo digital de microespejos (DMD). Dado que el costo principal del sistema TPP es la fuente láser con una vida útil típica de ~ 20, 000 horas, Reducir el tiempo de fabricación de días a minutos puede extender en gran medida la vida útil del láser y reducir indirectamente el costo de impresión promedio de US $ 88 / mm. 3 hasta US $ 1,5 / mm 3 - una reducción del 98 por ciento.
Debido al lento proceso de escaneo de puntos y la falta de capacidad para imprimir estructuras de soporte, Los sistemas TPP convencionales no pueden fabricar grandes estructuras complejas y colgantes. La tecnología FP-TPL ha superado esta limitación gracias a su alta velocidad de impresión, es decir., las piezas parcialmente polimerizadas se unen rápidamente antes de que se deslicen en la resina líquida, que permite la fabricación de estructuras colgantes y complejas a gran escala, como se muestra en la Figura 1 (G). El profesor Chen dijo que la tecnología FP-TPL puede beneficiar a muchos campos; por ejemplo, nanotecnología, materiales funcionales avanzados, micro-robótica, y dispositivos médicos y de administración de medicamentos. Debido a su velocidad significativamente mayor y costos reducidos, la tecnología FP-TPL tiene el potencial de ser comercializada y ampliamente adoptada en varios campos en el futuro, Fabricación de dispositivos de meso a gran escala.
