Taux d’impression 3D record atteint grâce à la numérisation acousto-optique

Le groupe du professeur Wei Xiong, du Laboratoire national d’optoélectronique de Wuhan à l’Université des sciences et technologies de Huazhong, propose une technique pionnière de lithographie par polymérisation multiphotonique à grande vitesse avec un taux d’impression 3D record de 7,6 × 107 voxels s−1, qui est presque un ordre de grandeur plus élevé que la lithographie multiphotonique à balayage (MPL) antérieure.

Publié dans Journal international de fabrication extrême (IJEM), cette technologie, basée sur le balayage acousto-optique avec commutation spatiale (AOSS), permet non seulement d’imprimer des structures micro-nano 3D complexes avec une précision de 212 nm, mais atteint également une cadence d’impression 3D sans précédent de 7,6 × 107 voxel/s. . C’est comme un artiste peignant un autoportrait en seulement cinq minutes, où chaque détail complexe, jusqu’à chaque mèche de cheveux, prend vie avec éclat.

« La vitesse et la précision du traitement sont des paramètres de performance importants pour évaluer la technologie d’impression micro-nano tridimensionnelle, et cette technologie présente d’excellentes performances dans les deux aspects », a déclaré le professeur Wei Xiong. « Cette recherche fournit une voie technique réalisable pour réaliser une impression nano-3D à grande échelle dans le futur. »

La fabrication de précision de structures micro-nano tridimensionnelles complexes et complexes constitue la pierre angulaire de nombreuses disciplines de pointe. À la lumière de sa capacité inhérente à une véritable fabrication numérique tridimensionnelle et à une résolution de traitement à l’échelle nanométrique au-delà de la limite de diffraction, la lithographie à deux photons (TPL) est toujours restée un point central de la recherche dans ce domaine.

Il a désormais trouvé de nombreuses applications dans des domaines de pointe, notamment les métamatériaux tridimensionnels, les composants micro-optiques et microélectroniques et le génie biomédical.

Cependant, malgré ses capacités de résolution élevée à l’échelle nanométrique, la vitesse de traitement limitée du TPL a constamment limité son potentiel. Par exemple, l’impression d’une simple pièce de monnaie peut souvent s’étendre sur des dizaines d’heures, un délai clairement insuffisant pour les applications de production industrielle.

Ensuite, Jiao a commencé une série d’études expérimentales et a finalement trouvé le déflecteur acousto-optique (AOD) comme pièce maîtresse du processus visant à augmenter la vitesse d’impression.

Le TPL traditionnel basé sur la numérisation utilise des méthodes de numérisation mécaniques telles que des miroirs galvanométriques, mais leur vitesse de numérisation est limitée par l’inertie. En revanche, le déflecteur acousto-optique (AOD) peut réaliser un balayage acousto-optique sans inertie, ce qui entraîne une amélioration significative de la vitesse.

« Le mouvement d’une voiture en mouvement comprend généralement des actions séquentielles telles que le freinage, le demi-tour et l’accélération ultérieure, qui consomment intrinsèquement beaucoup de temps en raison de l’influence de l’inertie », a déclaré Binzhang Jiao (Ph.D. 22), le premier auteur du papier.

Un galvanomètre à inertie est comme une voiture, où les processus d’accélération et de décélération prennent du temps. D’un autre côté, l’AOD n’est pas contraint par l’inertie, car il s’appuie sur les ondes sonores pour le balayage. Par rapport au balayage mécanique traditionnel par miroir, cette approche a permis d’augmenter la vitesse de balayage laser de 5 à 20 fois.

Jiao a développé avec succès une technique de modulation de signal non linéaire de l’AOD, garantissant que la taille du point se rapproche de la limite de diffraction lors d’un balayage acousto-optique à grande vitesse. Parallèlement, l’intégration d’éléments optiques diffractifs (DOE) a permis un balayage acousto-optique parallèle multifocal, améliorant encore le débit de traitement. Les régions spatiales des spots multifocaux sont contrôlées indépendamment par le commutateur optique spatial, permettant la fabrication de structures non périodiques.

Ils ont démontré un système de lithographie multiphotonique (MPL) à huit points focaux, atteignant une taille de voxel de 212 nm et un taux d’impression de voxel de 7,6 × 107 voxel/s.

« Plusieurs points focaux peuvent être imprimés séparément, comme si une personne avait huit mains », a expliqué Jiao. Ce taux d’impression voxel est 8,4 fois plus rapide que la méthode MPL à balayage mécanique la plus rapide signalée dans le passé, et 38 fois plus rapide que la méthode MPL à balayage diffractif la plus rapide signalée. Par rapport aux méthodes MPL commercialisées, la vitesse d’impression de cette technique peut être améliorée jusqu’à 490 fois.

Même s’il reste encore un long chemin à parcourir entre les laboratoires et l’usine, l’équipe exprime son optimisme quant à l’avenir d’AOSS. « Pour augmenter la portée de balayage acousto-optique, l’angle de balayage du balayage acousto-optique peut être augmenté à l’avenir. En conséquence, une vitesse de balayage acousto-optique plus élevée et un nombre accru de foyers peuvent continuer à augmenter le débit de l’AOSS », a déclaré le professeur Wei Xiong.