侵权投诉
搜索
更多>> 热门搜索:
订阅
纠错
加入自媒体

TPP 双光子3D打印:神奇的纳米级3D打印技术

2017-03-23 14:26
夜隼008
关注

2015年10月,习大大在访问英国期间参观了著名的英国帝国理工学院,得到了学院杨广中教授赠送的特殊礼物--打印在一块正方形硅片上的一段只有100微米长的中国长城。这种神奇的技术就是双光子3D打印技术,使用材料为光敏材料。听着离普通人很遥远是吧?实际上,我国在双光子3D打印技术方面领先世界。据了解,中科院在双光子3D打印领域已经开展了十几年的研究,并取得了一系列研究成果。

双光子3D打印(Two-photonpolymerization,TPP),学名为双光子激光直写技术、双光子聚合光固化成形技术。常见的3D打印机工作原理都是分层制造,层与层之间的精度很受限,存在所谓的“台阶效应”。这使得3D打印机难以制造低粗糙度、高精度的器件,如各种光学元件、微纳尺度的结构器件等等。而双光子3D打印技术的出现有望完美解决这个问题。

习近平总书记在伦敦皇家学院收到的3D打印长城(长度100微米)

为了帮助大家更好地理解这项技术,首先要知道什么叫做“双光子吸收效应。”SLA/DLP或是PolyJet技术所利用的都是单光子聚合,将一个光子作为基础单位进行吸收,一次只能通过一个光子。但是实际上,极少数情况下,由于物质中存在特殊的能级跃迁模式,也会出现同时吸收两个光子的情况,这就是“双光子吸收效应”。但双光子吸收的条件非常苛刻,它要求特定的物质和极高的能量密度。只有在高度聚焦的激光中心部位,才会有足够高的辐照度来确保有两个光子同时被吸收。

单光子聚合(左)与双光子聚合(右)对比示意图(图片来源:南极熊)

blob.png

TPP双光子3D打印技术原理示意图(图片来源:南极熊)

利用了TPP双光子3D打印技术,打印精度可以达到纳米级。通过将激光聚焦在光敏树脂内,计算机控制移动纳米级精密移动台,焦点经过的位置,光敏树脂会变性、固化,从而可以打印任意形状的三维物体。由于双光子聚合发生的固化只发生在激光聚焦的光敏树脂槽中央,而不是像SLA/DLP一样发生在树脂槽液面或者树脂槽底部,因此,使用TPP技术的3D打印机无需将打印件从树脂槽底部剥离,也无需安装刮刀进行光敏树脂液面的涂覆。

blob.png

TPP双光子3D打印机(图片来源:南极熊)

TPP技术是现在市面精度最高的3D打印技术。TPP技术广泛应用于微光学,微电子,微流控,微器件等领域,它给3D打印从业者和科学家提供了一种强有力的解决方案,来设计和加工多种多样的微纳结构。

TPP技术最典型的应用是在科研领域。

光子晶体(Photonic Crystal)的单元结构极其微小,加工起来非常困难。使用TPP技术则可以非常方便地加工出这种周期性排列的微纳结构。

blob.png

利用TPP技术加工的三维光子晶体

blob.png

科学家利用TPP技术在光纤顶端加工的内窥镜

TPP技术也被应用在艺术领域。2014年,艺术家Jonty Hurwitz与Weitzmann Institute of Science的科学家合作,利用TPP技术在一根针上制成了世界上最小的雕塑。

blob.png

利用TPP技术打印的雕塑作

下图为利用TPP技术加工的微纳雕塑作品

双光子3D打印技术制作的泰姬陵模型

双光子3D打印技术制作的F1赛车

blob.png

利用TPP技术制作的勃兰登堡门模型

blob.png

双光子3D打印技术制作的自由女神像

尤达大师

虽然双光子激光直写技术在微纳尺度加工领域具有极大的优势,但并非全无缺点。与胶片拍摄图像类似,TPP的光敏材料需要进行显影和定影等过程,从而将打印的3D物体固定下来,因此加工过程更为繁琐。

从上文叙述中可以看出,这项技术能否成功的关键很大程度上取决于纳米精度的移动台,因此运动系统极其精密且昂贵。下图是一台典型双光子直写仪的基本配置,从软件到硬件需要完美配合,所以往往造价不菲。

典型的TPP打印系统基本配置(图片来源:南极熊)

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

发表评论

0条评论,0人参与

请输入评论内容...

请输入评论/评论长度6~500个字

您提交的评论过于频繁,请输入验证码继续

暂无评论

暂无评论

文章纠错
x
*文字标题:
*纠错内容:
联系邮箱:
*验 证 码:

粤公网安备 44030502002758号