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双光子 3D 打印技术升级了!速度提高 1000 倍!

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简介双光子3D打印技术是一种在纳米尺度上的3D打印技术,利用双光子进行光刻,可以打印出纳米级的结构。然而,其最大的弊端就是打印速度太慢。那么,有没有办法可以提高它的打印速度

双光子3D打印技术是一种在纳米尺度上的3D打印技术,利用双光子进行光刻,可以打印出纳米级的结构。然而,其最大的弊端就是打印速度太慢。那么,有没有办法可以提高它的打印速度呢?陈世祈团队研究5年,与美国实验室合作研发FP-TPL 技术,使纳米级3D打印速度大幅提高,并降低成本。

陈世祈团队研发新聚焦方法 变相节省98%成本

3D打印技术经过二十多年的发展已经逐渐为人熟知,人们可以透过构建数字模型快速製造出成品。纳米级3D打印技术属于3D打印的一个分支,打印成品通常小到肉眼看不见,不过,复杂程度却不输传统3D打印品,精密度亦在数百纳米级别。但现有纳米级3D打印技术却长期面临打印速度慢及成本高两大困境,未能实现更广泛应用。近日香港中文大学工程学院机械与自动化工程学系副教授陈世祈及其团队突破学术瓶颈,研发了「飞秒投影双光子光刻3D打印」(FP-TPL)技术,将原有打印速度大幅提升数千至一万倍,并变相节省成本,减幅达98%。

常见3D高精度打印技术一般使用双光子聚合系统(TPP),使用镭射光串逐点写入,再分层打印,这种「由点及面再逐层增加」的打印方式速度很慢(约每小时0.1mm3),即使製造小型器件都要花费数天甚至几个星期。另外镭射光源有寿命限制,一般每套机器只能使用约两万小时,长时间使用又造成了TPP打印的高昂成本。

旧招一年 新招10小时

为克服现有技术的困难,陈世祈及其团队潜心研究5年,并与美国「劳伦斯利佛摩国家实验室」合作研发出 FP-TPL 技术。有关研究成果已在今年10月于全球性学术期刊《科学》上发表。新技术利用创新的聚焦方法,同时投影100万个光点,形成光平面,将镭射3D打印过程改革成整个平面写入,打印速度因此大幅提升数千倍至1万倍。过往技术用来扫描一点的时间内,新技术已可扫描一整块平面,飞秒完成一层写入。

FP-TPL 技术使打印速度增至每小时10至100mm3【相当于提高100-1000倍】,打印成本亦因此大幅降低至每立方毫米1.5美元,同时精密度亦有提升,高达140 × 175纳米。

陈世祈解释,纳米级打印技术因为其高精度的要求,一般不用于打印较大型物品。他举例,如用传统TPP方法打印一枚1元港币可能需要近1年时间,但如果用FP-TPL技术,则可缩短至10小时以内。

离工业化生产尚有距离

对于 FP-TPL 技术未来的应用范畴,陈世祈表示,因成本限制,FP-TPL距离大规模工业化生产尚有一定距离,不过已有硅谷融资公司在和团队接触。在微型3D打印领域,他看好将FP-TPL用于光学及生物医药等学科的实验研究,制造包括光子晶体、纳米机器人、生物支架或超材料等实验器材。

陈世祈毕业于台湾清华大学机械工程系,在麻省理工大学和剑桥大学分别取得硕士及博士学位,曾在哈佛医学院进行研究工作。他于2011年加入中大,主要研究范围包括纳米3D打印、高速3D成像等。去年他凭借「数字全息纳米3D打印机」研究成果荣获美国R&D全球百大科技研发奖。

香港中文大学(中大)工程学院机械与自动化工程学系陈世祈教授及其团队研发的「数码全息纳米3D打印机」(Nano-Builder),获得有「创科界奥斯卡」之称的全球R&D100年奖嘉许,被选为2018年度全球一百大创新发明之一。Nano-Builder能以秒速印制结构复杂、细如发丝的精细组件,尤其适合高端纳米科技、先进材料、微支架及药物传输技术的研发需要。

Nano-Builder采用了革命性的数字全息雷射扫描及光束整形技术,能够以高速(22.7 kHz)多焦点扫描,打破传统3D打印机单焦点低精度的局限,并同时达到纳米级别的打印精度。新技术可以在三维的空间中随机扫描,不必由底部开始逐层扫描至顶部,超越了空间的制肘。

多个扫描焦点可以在相同速度下,移动至打印空间中的任何一点,即使没有结构及材料的支撑,仍可打印出复杂的悬垂结构,精密细致的微型成品。跟现有技术比较,过程毋须浪费额外的物料作支撑;而总打印时间与结构的固体体积成正比,跟复杂程度完全无关,大幅提升了打印的速度及精确度。陈世祈教授表示,快速而精细的Nano-Builder最有利于开发各类微小尺度的科研器件(如光子晶体、微纳流体器件、仿真生物组织及支架、药物传输工具等)用以协助研究人员制作复杂、精巧的组件,从而革新了纳米科技、先进材料及医疗工具的相关技术。

另一大特点是其便捷的系统模组化设计及延伸性,Nano-Builder的成像模组可快速的替换,提供先进的双光子显微成像功能,应用于生物及医学影像等范畴。在光遗传学研究应用中,Nano-Builder能同时准确刺激生物大脑中多个神经元,而不伤害神经元周围的结构,可用于长时间研究大脑神经回路及特定功能,如小鼠或斑马鱼的嗅觉、视觉或认知功能,将3D随机扫瞄的优点延伸至医学或基础生物研究工具。

是项崭新的打印技术历时四年孕育,研究团队于早年获得创新科技署的「大学科技初创企业资助计划」支持,奠定稳健的基础。随后,由陈世祈教授及团队创立的「多尺度精密仪器实验室」(Multiscale Precision Instrumentation Laboratory)进驻中大「前期创业育成中心」(Pre-incubation Centre,Pi Centre),期间得到Pi Centre提供全面的资源及支援,包括创业顾问指导进程、培训及工作坊、联系本地资深投资者及业界导师等,大幅提升了科研商品化的成功机会。