Rekordhohe 3D-Druckrate durch akusto-optisches Scannen

Die Gruppe von Professor Wei Xiong vom Wuhan National Laboratory for Optoelectronics an der Huazhong University of Science and Technology schlägt eine bahnbrechende Hochgeschwindigkeits-Multiphotonen-Polymerisationslithographietechnik mit einer rekordhohen 3D-Druckrate von 7,6 × 107 Voxel s−1 vor ist fast eine Größenordnung höher als die frühere Raster-Multiphotonen-Lithographie (MPL).

Veröffentlicht in Internationale Zeitschrift für Extreme Manufacturing (IJEM) druckt diese Technologie, die auf akusto-optischem Scannen mit räumlicher Schaltung (AOSS) basiert, nicht nur komplexe 3D-Mikro-Nano-Strukturen mit einer Genauigkeit von 212 nm, sondern erreicht auch eine beispiellose 3D-Druckrate von 7,6 × 107 Voxel/s . Es ist, als würde ein Künstler in nur fünf Minuten ein Selbstporträt malen, bei dem jedes komplizierte Detail, bis hin zu jeder Haarsträhne, lebendig zum Leben erweckt wird.

„Verarbeitungsgeschwindigkeit und Verarbeitungsgenauigkeit sind wichtige Leistungsparameter für die Bewertung der dreidimensionalen Mikro-Nano-Drucktechnologie, und diese Technologie weist in beiden Aspekten eine hervorragende Leistung auf“, sagte Prof. Wei Xiong. „Diese Forschung bietet einen praktikablen technischen Weg, um in der Zukunft einen groß angelegten Nano-3D-Druck zu erreichen.“

Die Präzisionsfertigung komplizierter und komplexer dreidimensionaler Mikro-Nano-Strukturen dient als Grundstein für zahlreiche Spitzendisziplinen. Aufgrund ihrer inhärenten Fähigkeit zur echten dreidimensionalen digitalen Fertigung und nanoskaligen Verarbeitungsauflösung über die Beugungsgrenze hinaus ist die Zwei-Photonen-Lithographie (TPL) stets ein Schwerpunkt der Forschung auf diesem Gebiet geblieben.

Es hat mittlerweile umfangreiche Anwendungen in hochmodernen Bereichen gefunden, darunter dreidimensionale Metamaterialien, mikrooptische, mikroelektronische Komponenten und biomedizinische Technik.

Doch trotz seiner hohen Auflösungsfähigkeiten im Nanomaßstab schränkt die begrenzte Verarbeitungsgeschwindigkeit von TPL sein Potenzial nachhaltig ein. Beispielsweise kann sich der Druck einer einfachen Münze oft über Dutzende Stunden hinziehen, ein Zeitrahmen, der für industrielle Produktionsanwendungen eindeutig unzureichend ist.

Dann begann Jiao eine Reihe experimenteller Studien und fand schließlich den akusto-optischen Deflektor (AOD) als Herzstück des Prozesses zur Erhöhung der Druckgeschwindigkeit.

Herkömmliche scanbasierte TPL verwenden mechanische Scanmethoden wie galvanometrische Spiegel, ihre Scangeschwindigkeit ist jedoch durch die Trägheit eingeschränkt. Im Gegensatz dazu kann der akusto-optische Deflektor (AOD) ein trägheitsfreies akusto-optisches Scannen erreichen, was zu einer deutlichen Steigerung der Geschwindigkeit führt.

„Die Bewegung eines fahrenden Autos umfasst normalerweise aufeinanderfolgende Aktionen wie Bremsen, Wenden und anschließendes Beschleunigen, was aufgrund des Einflusses der Trägheit naturgemäß viel Zeit in Anspruch nimmt“, sagte Binzhang Jiao (Ph.D. 22), der erste Autor des Papiers.

Ein Galvanometer mit Trägheit ist wie ein Auto, bei dem Beschleunigungs- und Verzögerungsvorgänge zeitaufwändig sind. Andererseits ist AOD nicht durch Trägheit eingeschränkt, da es zum Scannen auf Schallwellen angewiesen ist. Im Vergleich zum herkömmlichen mechanischen Spiegelscannen hat dieser Ansatz zu einer 5- bis 20-fachen Steigerung der Laserscangeschwindigkeit geführt.

Jiao hat erfolgreich eine nichtlineare Signalmodulationstechnik des AOD entwickelt, die sicherstellt, dass die Punktgröße während des akustooptischen Hochgeschwindigkeitsscanns der Beugungsgrenze nahekommt. Gleichzeitig hat die Integration diffraktiver optischer Elemente (DOE) ein multifokales paralleles akusto-optisches Scannen ermöglicht und so den Verarbeitungsdurchsatz weiter gesteigert. Die räumlichen Bereiche der multifokalen Spots werden unabhängig voneinander durch den räumlichen optischen Schalter gesteuert, was die Herstellung nichtperiodischer Strukturen ermöglicht.

Sie demonstrierten ein Multiphotonen-Lithographiesystem (MPL) mit acht Brennpunkten, das eine Voxelgröße von 212 nm und eine Voxeldruckrate von 7,6 × 107 Voxel/s erreichte.

„Mehrere Schwerpunkte können separat gedruckt werden, als ob eine Person acht Hände hätte“, sagte Jiao. Diese Voxel-Druckrate ist 8,4-mal schneller als die schnellste bisher gemeldete mechanisch gescannte MPL-Methode und 38-mal schneller als die schnellste berichtete diffraktiv gescannte MPL-Methode. Im Vergleich zu kommerzialisierten MPL-Methoden kann die Druckgeschwindigkeit dieser Technik um das bis zu 490-fache gesteigert werden.

Obwohl der Weg vom Labor bis zur Fabrik noch weit ist, zeigt sich das Team optimistisch hinsichtlich der Zukunft von AOSS. „Um den akusto-optischen Scanbereich zu erhöhen, kann in Zukunft der Scanwinkel des akusto-optischen Scans vergrößert werden. Dementsprechend können eine höhere akusto-optische Scangeschwindigkeit und eine erhöhte Anzahl von Fokussen den Durchsatz von AOSS weiter steigern.“ sagte Prof. Wei Xiong.