超高精度3D打印技术是制造精密生物医学和光子设备的关键推动力。然而，现有的打印技术受到其低效率和高成本的限制。据《3D打印商情》了解，香港中文大学（CUHK）机械与自动化工程系的陈世智教授及其团队与劳伦斯·利弗莫尔国家实验室合作，开发了飞秒投影3D打印工艺，以发展双光子光刻技术，因此也就是缩写“FP-TPL打印技术”。他们的成果最近发表在《科学杂志》上。
新工艺通过时间聚焦控制激光光谱——这是一种利用多光子快速捕获整个平面而不是单个点的显微镜技术，从而实现了双光子聚合技术（2PP或TPP）的“平面”方法。在3D打印中，激光固化过程以并行的逐层方式执行，而不是逐点写入。这项新技术可将打印速度大幅提高1,000-10,000倍，并将成本降低98％。这充分说明了他们的技术突破，更将纳米级3D打印带入了一个新时代。
图1.通过FP-TPL打印具有亚微米分辨率的复杂3D结构。（A到C）具有亚微米级特征的毫米级结构，支撑在反射表面顶部的美分硬币上。在8分20秒内打印了2.20 mm×2.20 mm×0.25 mm长方体，表明3D打印速度为8.7 mm^3 /小时。而点扫描技术将需要几个小时才能打印出该长方体。（D）通过2D层堆叠打印的3D微型柱，显示出打印的均匀性与商业串行扫描系统基本一致。（E和F）通过单层投影打印的螺旋结构，表明能够在单位毫秒的时间范围内快速打印曲线结构而无需任何平台移动的能力。（从G到J）通过拼接多个2D投影来突出显示的3D结构，表明具有打印深度分辨特征的能力。（G）具有90°悬垂角的桥结构，由于其相对于最小特征的尺寸和亚微米特征分辨率而言悬垂较大，因此使用点扫描TPL技术或其他任何技术来打印都具有挑战性。
常规的纳米级3D打印技术（即双光子聚合（TPP或2PP））以逐点扫描方式运行。因此，即使是一厘米大小的物体，也可能需要几天到几周的时间才能完成制造（制造速度约为0.1 mm^3 /小时）。该过程既费时又昂贵，这妨碍了实际和工业应用。为了提高速度，通常牺牲成品的分辨率。
陈世智教授和他的团队通过利用时间聚焦的概念克服了这一难题，该方法是在焦平面上形成可编程的飞秒光片，用于并行纳米写入。这等效于在焦平面上同时投影数百万个激光焦点，从而取代了仅在一个点聚焦和扫描激光的传统方法。换言之，FP-TPL技术可以在点扫描系统制造点的时间内制造整个平面。
图2.打印纳米线展示了FP-TPL的纳米级分辨率。（A）在不同条件下打印的悬浮纳米线的宽度（沿横向）和（B）高度（沿轴向）。投影的DMD模式的线宽从3像素更改为6像素，固定周期为30像素。每个像素（px）映射到151 nm的投影图像中。标签HP、MP和LP分别表示高（42 nW / px），中等功率（39 nW / px）和低功率水平（35 nW / px）。特定形状的所有标记表示以相同的功率级别生成的数据点，并且特定颜色的所有标记表示相同的线宽。使用中心波长为800 nm，标称脉冲宽度为35 fs的飞秒激光和60×1.25数值孔径的物镜进行打印。（C和D）悬浮纳米线特征的扫描电子显微镜图像。
飞秒投影3D打印或FP-TPL成为颠覆性技术的原因在于，它不仅可以极大地提高速度（大约10-100 mm^3 /小时），而且还可以提高分辨率（横向和轴向大约140 nm / 175 nm ），并降低了成本（降低至1.5美元/mm^3）。陈世智教授指出，TPP系统中的典型硬件包括飞秒激光源和光扫描设备，例如数字微镜设备（DMD）。由于TPP系统的主要成本是典型寿命约为20,000小时的激光源，因此，将制造时间从几天缩短到几分钟可以极大地延长激光寿命，并将平均打印成本从88美元/ mm^3降低到1.5美元 / mm3 ——减少了98％。
由于点扫描过程缓慢且缺乏打印支撑结构的能力，因此传统的TPP系统无法制造大型复杂且悬垂的结构。FP-TPL技术以其高打印速度克服了这一局限性，即部分聚合的零件可以在液态树脂中漂移之前迅速连接在一起，从而可以制造大规模的复杂悬垂结构，如图1所示。
陈世智教授说，FP-TPL技术可以使许多领域受益。例如，纳米技术、先进的功能材料、微型机器人以及医疗和药物输送设备。由于FP-TPL技术显著提高了速度并降低了成本，因此它有可能在将来实现商业化并在各个领域广泛采用，从而制造出中型到大型设备。
内容来源：3D打印商情
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