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光,助力“3D打印”进入新时代

时间:2023-12-29 点击量: 575

以下文章来源于爱光学 ,作者有理想


光学3D打印是一种广泛应用于光子学、电子学、机械学和生物学等领域的增材制造技术,其制造过程可以描述为:在空间维度和时间维度上构建复杂的光场图案,并将相应的光子时空分布转化为材料图案。

近期,德国卡尔斯鲁厄理工学院等机构的Martin Wegener团队在Nature Reviews Physics发表了题为“The physics of 3D printing with light”的综述论文。文章重点关注光学3D打印技术的物理基础,包括干涉光刻、断层扫描体积增材制造、立体光刻、连续液体界面打印、光片打印、并行时空聚焦和(多)焦点扫描;总结了多种光与物质相互作用过程,并提出了光学3D打印技术未来发展存在的物理挑战和工程挑战。


创造时空光场

要创建任意形状的3D光场分布,可以想象成将不同方向的光叠加在一起,结合适当的墨水进行曝光,就能在一次照射中制作出各种3D物体。现在有很多方法在努力实现这个目标,通过使用相干光的单次体积曝光,就可以制作出各种奇特形状的3D物体。

图1展示了通过各种光束整形方法生成的光场分布等强度表面。图1a为6束(线偏振)光和1束(圆偏振)光相互干涉产生的螺旋形光场结构。图1b分别显示了空间聚焦的高斯光束、用于抑制打印的瓶型光束和双螺旋光场。图1c为单个时空聚焦矩形图案的等强度层。在任意时刻,只存在一条线状等强度层,通过在焦平面上扫描(t1~t2)形成图案。图1d显示了来自不同角度的2D投影光场图案叠加形成的等强度表面,以实现断层扫描体积增材制造。图1e展示了逐层打印的交叉等强度表面,打印体积存在于光片(红色区域)和垂直投影图案(蓝色区域)相交的位置。 

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图1 光场分布的等强度表面。a,干涉光刻;b,空间聚焦;c,时空聚焦;d,断层扫描体积增材制造;e,逐层方法


揭秘光与物质的相互作用

在3D打印过程中,墨水内部的光场与某些分子发生耦合。通常情况下,这些分子是有意添加到墨水中的光引发剂。少数情况下,液体(单体)本身也能与光耦合。这种相互作用通常伴随着光引发剂内的弛豫过程,导致系统出现相关的激发态,从而触发化学反应,使得材料被打印出来。然而,对于具有多个能级、以及能级之间存在多种辐射和非辐射跃迁的引发剂分子(如图2所示),建立相对光强I和局部曝光剂量D之间的关系并非易事,这通常取决于不同的打印模式。以干涉光刻为例,局部曝光剂量D正比与相对光强I,即为简单的局部线性光吸收。目前也有一些研究表明,对于无机材料和金属材料的成形,温度T与相对光强I的关系发挥着重要作用。

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图2 光学3D打印过程中的光与物质相互作用的能级图


探究材料成形机制

从局部曝光剂量 D和/或温度T(均由相对光强I产生)到材料局部成形的过程一般都很复杂。不同材料的成形机制也存在很大差异,这与化学和材料科学领域密切相关。对于聚合物,可以用阈值模型来描述成形机制:如果完成曝光后的局部剂量D高于临界阈值剂量,那么充分固化的聚合物可以在显影过程中被保留,如图3a-e所示。对于贵金属如金、银和铂,最初通过单光子或多光子的吸收,水性墨水中的金属盐浓度降低,这导致纳米颗粒的分布。然后,这些粒子在强局部温度梯度引起的力或光引起的力下移动,所有这些都与电场相连接。最后,一部分纳米颗粒在强激光照射的影响下局部烧结在一起。这个过程还可以与单体的同步聚合相结合,从而提高机械稳定性,如图3f所示。对于半导体金属氧化物,由紧聚焦光斑引起的温度T增高发挥着关键作用,玻尔兹曼因子随着温度T的增高而急剧增大,相对光强I也随之增加,再次引入类似阈值的过程。

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图3 光学3D打印技术制造的3D结构


关键性能指标

图4展示了目前已报道的光学3D打印机的打印速度(单位为voxel s-1)以及体素尺寸,这两个关键指标跨越了多个数量级。以双光子聚合激光直写为例,华中科技大学熊伟教授团队首次提出了一种基于声光扫描与空间开关的纳米3D打印方法,该技术的打印速度达到了创纪录的7.6 × 107 voxel s-1,这比先前报道的双光子光刻方法的产率高出近一个数量级,为大规模双光子聚合3D打印方法的实现提供了可行的技术路线。

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图4 光学3D打印机的性能参数


总结及展望

光学3D打印目前已经成为学术界和工业界中广泛应用和发展的增材制造技术。尽管如此,该技术目前仍然面临许多挑战:“更精细”,提高空间分辨率;“更快”,提高打印速度;“更多”,进一步扩展多材料打印的可能性;“更便宜”,降低高端3D打印机的成本。其中光源和其他部件的小型化是努力的方向。在未来,进一步发展光学3D打印技术的过程中,物理学将发挥关键作用。同时,需要与光学、激光科学、化学、材料科学和工程科学等领域紧密结合。


参考文献:

Somers, P., Münchinger, A., Maruo, S.et al. The physics of 3D printing with light.Nat Rev Phys(2023).https://doi.org/10.1038/s42254-023-00671-3