FP-TPL basé sur la focalisation spatiale et temporelle. Crédit :CUHK
La technologie d'impression 3D ultraprécise est un outil clé pour la fabrication de dispositifs biomédicaux et photoniques de précision. Cependant, la technologie d'impression existante est limitée par sa faible efficacité et son coût élevé. Le professeur Shih-Chi Chen et son équipe du Département de génie mécanique et d'automatisation, L'Université chinoise de Hong Kong (CUHK), a collaboré avec le Lawrence Livermore National Laboratory pour développer la technologie d'impression FP-TPL (Femtosecond Projection Two-Photon Lithography).
En contrôlant le spectre laser via une focalisation temporelle, le processus d'impression laser 3-D est effectué de manière parallèle couche par couche au lieu d'une écriture point par point. Cette nouvelle technique augmente considérablement la vitesse d'impression de 1, 000-10, 000 fois, et réduit le coût de 98 pour cent. La réalisation a récemment été publiée dans Science , affirmant sa rupture technologique qui fait entrer l'impression 3D nanométrique dans une nouvelle ère.
La technologie conventionnelle d'impression 3D à l'échelle nanométrique, c'est à dire., polymérisation à deux photons (TPP), fonctionne selon un mode de balayage point par point. En tant que tel, même un objet de la taille d'un centimètre peut prendre plusieurs jours à plusieurs semaines à fabriquer (taux de construction ~ 0,1 mm 3 /heure). Le processus est long et coûteux, ce qui empêche les applications pratiques et industrielles. Pour augmenter la vitesse, la résolution du produit fini est souvent sacrifiée. Le professeur Chen et son équipe ont surmonté le problème difficile en exploitant le concept de focalisation temporelle, où une feuille de lumière femtoseconde programmable est formée au niveau du plan focal pour une nanoécriture parallèle ; cela équivaut à projeter simultanément des millions de foyers laser au niveau du plan focal, remplaçant la méthode traditionnelle de focalisation et de balayage laser en un seul point. En d'autres termes, la technologie FP-TPL peut fabriquer un avion entier dans le temps que le système de balayage ponctuel fabrique un point.
Fig. 1. Impression de structures 3D complexes avec une résolution submicronique via FP-TPL. (A à C) Structure à l'échelle millimétrique avec des caractéristiques submicrométriques soutenues par un sou américain au-dessus d'une surface réfléchissante. Le cuboïde de 2,20 mm × 2,20 mm × 0,25 mm a été imprimé en 8 min 20s, démontrant un taux d'impression 3D de 8,7 mm3/heure. En revanche, les techniques de balayage ponctuel nécessiteraient plusieurs heures pour imprimer ce cuboïde. (D) Un micropilier 3D imprimé par empilement de couches 2D, démontrant une uniformité d'impression indiscernable de celle des systèmes commerciaux de numérisation en série. (E et F) Structures en spirale imprimées par projection d'une seule couche démontrant la capacité d'imprimer rapidement des structures curvilignes dans des échelles de temps à un chiffre en millisecondes sans aucun mouvement de scène. (G à J) Structures 3D en surplomb imprimées en cousant plusieurs projections 2D démontrant la capacité d'imprimer des caractéristiques résolues en profondeur. La structure du pont en (G), avec des angles de porte-à-faux à 90°, est difficile à imprimer à l'aide de techniques TPL à balayage ponctuel ou de toute autre technique en raison de son grand porte-à-faux par rapport à la taille de la plus petite caractéristique et à la résolution de la caractéristique submicronique. Crédit :Université chinoise de Hong Kong (CUHK)
Fig. 2. Nanofils imprimés démontrant la résolution à l'échelle nanométrique du FP-TPL. (A) Largeur (le long de la direction latérale) et (B) hauteur (le long de la direction axiale) des nanofils suspendus imprimés dans différentes conditions. La largeur des lignes dans le motif DMD projeté variait de 3 à 6 pixels avec une période fixe de 30 pixels. Chaque pixel (px) correspond à 151 nm dans l'image projetée. Etiquettes HP, député, et LP se réfèrent à haute (42 nW/px), moyen (39 nW/px), et faibles niveaux de puissance (35 nW/px), respectivement. Tous les marqueurs d'une forme spécifique représentent des points de données générés au même niveau de puissance, et tous les marqueurs d'une couleur spécifique représentent la même largeur de ligne. L'impression a été réalisée avec un laser femtoseconde ayant une longueur d'onde centrale de 800 nm et une largeur d'impulsion nominale de 35 fs et avec un objectif à ouverture numérique 60 × 1,25. (C et D) Images au microscope électronique à balayage des caractéristiques des nanofils suspendus. Crédit :Université chinoise de Hong Kong (CUHK)
Ce qui fait du FP-TPL une technologie de rupture, c'est qu'il améliore non seulement considérablement la vitesse (environ 10 à 100 mm 3 /heure), mais améliore également la résolution (~140 nm / 175 nm dans les directions latérale et axiale) et réduit le coût (1,5 USD/mm 3 ). Le professeur Chen a souligné que le matériel typique d'un système TPP comprend une source laser femtoseconde et des dispositifs de balayage de lumière, par exemple., dispositif numérique à micromiroir (DMD). Étant donné que le coût principal du système TPP est la source laser avec une durée de vie typique d'environ 20, 000 heures, réduire le temps de fabrication de quelques jours à quelques minutes peut considérablement prolonger la durée de vie du laser et réduire indirectement le coût d'impression moyen de 88 $ US/mm 3 à 1,5 USD/mm 3 – une réduction de 98 pour cent.
En raison de la lenteur du processus de numérisation des points et du manque de capacité à imprimer les structures de support, les systèmes TPP conventionnels ne peuvent pas fabriquer de grandes structures complexes et en surplomb. La technologie FP-TPL a surmonté cette limitation par sa vitesse d'impression élevée, c'est à dire., les pièces partiellement polymérisées sont rapidement assemblées avant de pouvoir dériver dans la résine liquide, qui permet la fabrication de structures complexes et en porte-à-faux à grande échelle, comme le montre la figure 1 (G). Le professeur Chen a déclaré que la technologie FP-TPL peut bénéficier à de nombreux domaines; par exemple, nanotechnologie, matériaux fonctionnels avancés, micro-robotique, et dispositifs médicaux et d'administration de médicaments. En raison de sa vitesse considérablement augmentée et de ses coûts réduits, la technologie FP-TPL a le potentiel d'être commercialisée et largement adoptée dans divers domaines à l'avenir, la fabrication de dispositifs de méso à grande échelle.
