將雙光子3D打印速度提高1000倍，飛秒投影雙光子光刻3D打印技術

來源：文匯報

南極熊導讀：此前南極熊也曾經多次報道過雙光子3D打印技術，這是一種在納米尺度上的3D打印技術，利用雙光子進行光刻，可以打印出納米級的結構。然而，其最大的弊端就是打印速度太慢。那么，有沒有辦法可以提高它的打印速度呢？

■陳世祈團隊研究5年，與美國實驗室合作研發(fā)FP-TPL 技術，使納米級3D打印速度大幅提高，并降低成本。香港文匯報記者 攝

陳世祈團隊研發(fā)新聚焦方法 變相節(jié)省98%成本

香港文匯報訊（記者 文森）3D打印技術經過二十多年的發(fā)展已經逐漸為人熟知，人們可以透過構建數字模型快速製造出成品。納米級3D打印技術屬于3D打印的一個分支，打印成品通常小到肉眼看不見，不過，復雜程度卻不輸傳統3D打印品，精密度亦在數百納米級別。但現有納米級3D打印技術卻長期面臨打印速度慢及成本高兩大困境，未能實現更廣泛應用。近日香港中文大學工程學院機械與自動化工程學系副教授陳世祈及其團隊突破學術瓶頸，研發(fā)了「飛秒投影雙光子光刻3D打印」（FP-TPL）技術，將原有打印速度大幅提升數千至一萬倍，并變相節(jié)省成本，減幅達98%。

常見3D高精度打印技術一般使用雙光子聚合系統（TPP），使用鐳射光串逐點寫入，再分層打印，這種「由點及面再逐層增加」的打印方式速度很慢（約每小時0.1mm3），即使製造小型器件都要花費數天甚至幾個星期。另外鐳射光源有壽命限制，一般每套機器只能使用約兩萬小時，長時間使用又造成了TPP打印的高昂成本。

舊招一年 新招10小時

為克服現有技術的困難，陳世祈及其團隊潛心研究5年，并與美國「勞倫斯利佛摩國家實驗室」合作研發(fā)出 FP-TPL 技術。有關研究成果已在今年10月于全球性學術期刊《科學》上發(fā)表。新技術利用創(chuàng)新的聚焦方法，同時投影100萬個光點，形成光平面，將鐳射3D打印過程改革成整個平面寫入，打印速度因此大幅提升數千倍至1萬倍。過往技術用來掃描一點的時間內，新技術已可掃描一整塊平面，飛秒完成一層寫入。

FP-TPL 技術使打印速度增至每小時10至100mm3【南極熊備注：相當于提高100-1000倍】，打印成本亦因此大幅降低至每立方毫米1.5美元，同時精密度亦有提升，高達140 × 175納米。

陳世祈解釋，納米級打印技術因為其高精度的要求，一般不用于打印較大型物品。他舉例，如用傳統TPP方法打印一枚1元港幣可能需要近1年時間，但如果用FP-TPL技術，則可縮短至10小時以內。

離工業(yè)化生產尚有距離

對于 FP-TPL 技術未來的應用范疇，陳世祈表示，因成本限制，FP-TPL距離大規(guī)模工業(yè)化生產尚有一定距離，不過已有硅谷融資公司在和團隊接觸。在微型3D打印領域，他看好將FP-TPL用于光學及生物醫(yī)藥等學科的實驗研究，制造包括光子晶體、納米機器人、生物支架或超材料等實驗器材。

陳世祈畢業(yè)于臺灣清華大學機械工程系，在麻省理工大學和劍橋大學分別取得碩士及博士學位，曾在哈佛醫(yī)學院進行研究工作。他于2011年加入中大，主要研究范圍包括納米3D打印、高速3D成像等。去年他憑借「數字全息納米3D打印機」研究成果榮獲美國R&D全球百大科技研發(fā)獎。


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來源：香港中文大學

香港中文大學（中大）工程學院機械與自動化工程學系陳世祈教授及其團隊研發(fā)的「數碼全息納米3D打印機」（Nano-Builder），獲得有「創(chuàng)科界奧斯卡」之稱的全球R&D100年獎嘉許，被選為2018年度全球一百大創(chuàng)新發(fā)明之一。Nano-Builder能以秒速印制結構復雜、細如發(fā)絲的精細組件，尤其適合高端納米科技、先進材料、微支架及藥物傳輸技術的研發(fā)需要。

Nano-Builder采用了革命性的數字全息雷射掃描及光束整形技術，能夠以高速（22.7 kHz）多焦點掃描，打破傳統3D打印機單焦點低精度的局限，并同時達到納米級別的打印精度。新技術可以在三維的空間中隨機掃描，不必由底部開始逐層掃描至頂部，超越了空間的制肘。

多個掃描焦點可以在相同速度下，移動至打印空間中的任何一點，即使沒有結構及材料的支撐，仍可打印出復雜的懸垂結構，精密細致的微型成品。跟現有技術比較，過程毋須浪費額外的物料作支撐；而總打印時間與結構的固體體積成正比，跟復雜程度完全無關，大幅提升了打印的速度及精確度。陳世祈教授表示，快速而精細的Nano-Builder最有利于開發(fā)各類微小尺度的科研器件（如光子晶體、微納流體器件、仿真生物組織及支架、藥物傳輸工具等）用以協助研究人員制作復雜、精巧的組件，從而革新了納米科技、先進材料及醫(yī)療工具的相關技術。

另一大特點是其便捷的系統模組化設計及延伸性，Nano-Builder的成像模組可快速的替換，提供先進的雙光子顯微成像功能，應用于生物及醫(yī)學影像等范疇。在光遺傳學研究應用中，Nano-Builder能同時準確刺激生物大腦中多個神經元，而不傷害神經元周圍的結構，可用于長時間研究大腦神經回路及特定功能，如小鼠或斑馬魚的嗅覺、視覺或認知功能，將3D隨機掃瞄的優(yōu)點延伸至醫(yī)學或基礎生物研究工具。

是項嶄新的打印技術歷時四年孕育，研究團隊于早年獲得創(chuàng)新科技署的「大學科技初創(chuàng)企業(yè)資助計劃」支持，奠定穩(wěn)健的基礎。隨后，由陳世祈教授及團隊創(chuàng)立的「多尺度精密儀器實驗室」（Multiscale Precision Instrumentation Laboratory）進駐中大「前期創(chuàng)業(yè)育成中心」（Pre-incubation Centre，Pi Centre），期間得到Pi Centre提供全面的資源及支援，包括創(chuàng)業(yè)顧問指導進程、培訓及工作坊、聯系本地資深投資者及業(yè)界導師等，大幅提升了科研商品化的成功機會。