3D列印技術直接將所要的零件或者成品生產出來，在節省時間的同時，更能節省原材料，符合全世界的環保趨勢。因為原材料和技術的限制等多方面的原因，3D列印技術還沒有普及。3D列印技術還有很長的路需要走！

2019年10月4日，世界頂級期刊Science線上發表了美國工程材料與製造中心國家實驗室的Sourabh K. Saha團隊和香港中文大學的Shih-Chi Chen團隊關於3D列印技術的最新研究成果——Scalable submicrometer additive manufacturing。

研究預覽：高通量的製造技術可以產生任意複雜的具有奈米尺度特徵的三維結構，這在廣泛的應用領域是非常理想的。基於雙光子光刻（TPL）的亞微米新增劑製造是填補這一空白的非常有前途的候選之一。然而TPL的序列逐點寫入方案在應用層面來講還是太慢，不能滿足規模化的要求。並行化的嘗試的結果也不理想：要麼沒有亞微米解析度，要麼無法模擬複雜的結構。香港中文大學的Shih-Chi Chen團隊和美國工程材料與製造中心國家實驗室的Sourabh K. Saha團隊通過在空間和時間上聚焦超快鐳射來實現基於投影的逐層並行化來克服這些困難。研究表明這種方法將吞吐量提高了三個數量級，並擴充套件了幾何設計空間。該團隊還通過印刷的方法證明了實驗結果在個位數的毫秒範圍內，寬度小於175nm的奈米線的面積比橫截面積大100萬倍。

奈米級器件的發展需要任意複雜三維結構的奈米材料製造。以光聚合為基礎的亞微米級新增劑製造雙光子光刻（TPL）技術生成具有200nm規模的3D結構。生產速度快於高解析度二維技術如電子束光刻。TPL依賴於非線性雙光子吸收生成小於衍射極限聚焦光斑特性。這種特殊的性質能夠用來製造功能性的微奈米級的三維結構如光子晶體、機械超材料、微機械、微型光化學、柔性電子和生物支架。連續掃描光敏聚合物中聚焦緊密的鐳射點，通過重疊單個亞微米體積畫素，這也是最常用的安裝啟用裝置。這種緩慢而又連續的編寫方案使得大規模生產變得不切實際。因此TPL的採用主要被侷限於學術研究和實驗室中，在實際應用中非常小。Shih-Chi Cheney團隊證明了在不影響亞微米解析度的情況下，基於飛秒投射的並行TPL處理可以顯著提高2-3個數量級的速率。該文章的方法允許進入設計空間中難以探索的區域，增加了低成本高通量處理的潛力和列印物件的幾何複雜性。

該團隊使用從小於1mm到大於4mm不等的二維圖形層的逐層列印來製作3D結構，每個2D層的大小為165mm*165mm，寫入時間尺度為毫秒。該團隊通過投射一個圖形化的2D光片來生成如此薄的2D層，同時聚焦於空間和時間域。通過數字微鏡裝置（DMD）將光片打造成任意的二維圖案，利用飛秒鐳射的寬頻特性和DMD的衍射來實現時域聚焦。在時間聚焦過程中，一個預先拉伸的超短光脈衝在經過光敏聚合物光刻膠時逐漸縮短，從而使最短的脈衝只在空間焦平面上實現。通過時間聚焦產生的強度梯度確保了文字在空間上侷限於焦平面，而不會引起焦平面上下的聚合。沒有時間聚焦，深度解析度就會丟失。投射光束路徑中的所有材料都聚合在一起形成厚的擠壓固體結構，不是形成非常薄的薄片。

文章中還寫到使用鐳射光源產生了具有寬波長光譜（大約幾十奈米）的近紅外飛秒脈衝，為後面的書寫過程提供了光。通過照亮數字掩模來模擬光束，數字掩模是一組單獨可切換的微鏡。從一個微反射鏡沿預定方向發出的光的強度在開啟時是高的，在關閉時是低的。然後對從DMD發出的發散光束進行準直，準直後的光束通過物鏡，聚焦在光阻材料內部的平面上。當投射到影象平面上時，來自DMD的開關點的光強度高於聚合閾值，在抗腐蝕劑中寫入數字掩膜的畫素化影象，這幅影象包含了不同的固化體素，使用移動聚焦成像平面來製作三維結構。

雖然這種FP-TPL技術在方法上與單原子投影立體光刻技術相似，卻是一種完全不同的投影機制。兩者的差異解釋了TP-TPL系統中使用的空間相干寬頻鐳射光源。基於DMD的數字掩模由於其週期性的微鏡陣列結構是一種色散元件，因此空間想幹光發生衍射在撞擊DMD時產生了幾個不同的出射光束。再加上飛秒鐳射的寬頻特性，不同波長的衍射光束以略微不同的角度出現。這種光的光譜分離伴隨著脈衝寬度的拉伸，這是高功率超快鐳射器設計中被廣泛利用的現象。

通過改變投射線的厚度、光束功率和曝光時間，使得奈米線的橫向和軸向尺寸都比光學衍射極限薄。印刷奈米線與橫向寬度一樣薄，可以達到130-140nm。該投影方案的一個特點是：一個連續投影特徵的大小可以控制在一個很寬的範圍內。投影特徵尺寸的變化改變了光刻生成的特徵尺寸與光學的比例關係。

結果總結：FP-TPL的單層體積處理速率比現有的技術提高了至少三個數量級，同時保持了低於500nm的特性。該研究的3D列印速率超過最快的序列系統的多孔結構的90多倍，非多孔材料的450多倍。FP-TPL中的時間聚焦光片能夠實現高的面外（軸向）解析度。與序列寫入技術相比，FP-TPL的另一個吸引人的特性是能夠投影和列印曲線特徵，而在分段線性路徑離散化近似過程中不需要階段加速和標記。面積投影機制還可以列印長懸空橋樑結構與懸垂結構。在長時間的列印過程中，因為特徵漂移過程，懸垂結構的連續掃描列印是一個挑戰，而該團隊的FP-TPLde吞吐量、解析度和模式靈活效能夠輕易的實現這一點。這是一項有巨大潛力的技術，能夠規模化的製造功能的微型和奈米結構如機械和光學材料、微光學等，可能會在電動交通工具、醫療、清潔能源、計算和通訊等領域發揮巨大的作用。

DOI：10.1126/science.aax8760