(a) O esquema do AOSS. O feixe de laser é desviado por varredura acústico-óptica sem inércia. A frente de onda do laser desviado é livre de aberrações devido ao AODy sendo acionado por um sinal de varredura não linear. Em seguida, o laser é comutado por um comutador óptico espacial multi-split, que contém um DOE para dividir o laser em múltiplos feixes e uma máscara digital para comutar os feixes individualmente com diferentes áreas adjacentes umas às outras. Os feixes comutados são fortemente focados por uma objetiva de alto NA e expõem seletivamente a resina para produzir o polímero padronizado. O padrão é exibido na máscara digital. (b) A comparação da frente de onda enquanto o AODy é acionado por um sinal de varredura linear e um sinal de varredura não linear, respectivamente. (c) O esquema do processo de impressão de uma ponte de pedra impressa por AOSS de oito focos. (d) A imagem SEM da ponte impressa. A ponte é impressa em 130 ms. (e) A área de processamento de cores da imagem SEM em (d). Áreas coloridas diferentes representam a área de digitalização independente de 8 pontos focais. As faixas de varredura de cada ponto focal são conectadas para formar um volume inteiro. Crédito:Binzhang Jiao, Fayu Chen, Yuncheng Liu, Xuhao Fan, Shaoqun Zeng, Qi Dong, Leimin Deng, Hui Gao e Wei Xiong. O grupo do professor Wei Xiong, do Laboratório Nacional de Optoeletrônica de Wuhan da Universidade de Ciência e Tecnologia de Huazhong, propõe uma técnica pioneira de litografia de polimerização multifóton de alta velocidade com uma taxa de impressão 3D recorde de 7,6 × 10
7 voxel s
−1
, que é quase uma ordem de magnitude maior do que a anterior litografia multifotônica de varredura (MPL).
Publicado no Jornal Internacional de Fabricação Extrema (IJEM ), esta tecnologia, baseada em digitalização acústico-óptica com comutação espacial (AOSS), não apenas imprime estruturas micro-nano 3D complexas com uma precisão de 212 nm, mas também atinge uma taxa de impressão 3D sem precedentes de 7,6 × 10
7
voxel/s. É como um artista pintando um autorretrato em apenas cinco minutos, onde cada detalhe intrincado, até cada fio de cabelo, ganha vida vividamente.
"A velocidade e a precisão do processamento são parâmetros de desempenho importantes para avaliar a tecnologia de impressão tridimensional micro-nano, e esta tecnologia tem excelente desempenho em ambos os aspectos", disse o Prof. "Esta pesquisa fornece uma rota técnica viável para alcançar a impressão nano-3D em grande escala no futuro."
A fabricação precisa de estruturas micro-nano tridimensionais intrincadas e complexas serve como pedra angular para inúmeras disciplinas de vanguarda. À luz de sua capacidade inerente para a verdadeira fabricação digital tridimensional e resolução de processamento em nanoescala além do limite de difração, a litografia de dois fótons (TPL) tem permanecido consistentemente um ponto focal de pesquisa no campo.
Ele agora encontrou extensas aplicações em domínios de ponta, incluindo metamateriais tridimensionais, componentes microópticos, microeletrônicos e engenharia biomédica.
No entanto, apesar das suas capacidades de alta resolução em nanoescala, a velocidade limitada de processamento do TPL restringiu persistentemente o seu potencial. Por exemplo, a impressão de uma simples moeda pode muitas vezes prolongar-se por dezenas de horas, um período de tempo claramente inadequado para aplicações de produção industrial.
Então Jiao iniciou uma série de estudos experimentais e finalmente encontrou o defletor acústico-óptico (AOD) como a peça central do processo para aumentar a velocidade de impressão.
O TPL tradicional baseado em varredura emprega métodos de varredura mecânica, como espelhos galvanométricos, mas sua velocidade de varredura é limitada pela inércia. Em contraste, o defletor acústico-óptico (AOD) pode alcançar varredura acústica-óptica livre de inércia, resultando em um avanço significativo na velocidade.
"O movimento de um carro em movimento geralmente inclui ações sequenciais, como frenagem, giro e aceleração subsequente, que inerentemente consome uma quantidade substancial de tempo devido à influência da inércia", disse Binzhang Jiao (Ph.D. 22), o primeiro autor do artigo.
Um galvanômetro com inércia é como um carro, onde os processos de aceleração e desaceleração são demorados. Por outro lado, o AOD não é limitado pela inércia, porque depende de ondas sonoras para varredura. Em comparação com a digitalização mecânica tradicional por espelho, esta abordagem produziu um aumento de 5 a 20 vezes na velocidade de digitalização a laser.
Jiao desenvolveu com sucesso uma técnica de modulação de sinal não linear do AOD, garantindo que o tamanho do ponto se aproxime do limite de difração durante a varredura acústico-óptica de alta velocidade. Ao mesmo tempo, a integração de elementos ópticos difrativos (DOE) permitiu a varredura óptica acústica multifocal paralela, melhorando ainda mais o rendimento do processamento. As regiões espaciais dos pontos multifocais são controladas de forma independente pelo interruptor óptico espacial, possibilitando a fabricação de estruturas não periódicas.
Eles demonstraram um sistema de litografia multifotônica (MPL) de oito pontos focais, atingindo tamanho de voxel de 212 nm e taxa de impressão de voxel de 7,6 × 10
7
voxel/s.
“Vários pontos focais podem ser impressos separadamente, como se uma pessoa tivesse oito mãos”, disse Jiao. Esta taxa de impressão de voxel é 8,4 vezes mais rápida do que o método MPL de varredura mecanicamente mais rápido relatado no passado, e 38 vezes mais rápida do que o método MPL de varredura difrativa mais rápido relatado. Quando comparada aos métodos MPL comercializados, a velocidade de impressão desta técnica pode ser aumentada em até 490 vezes.
Embora ainda seja um longo caminho desde os laboratórios até a fábrica, a equipe expressa otimismo sobre o futuro do AOSS. "Para aumentar o alcance de varredura acústico-óptica, o ângulo de varredura da varredura acústico-óptica pode ser aumentado no futuro. Conseqüentemente, uma velocidade de varredura acústico-óptica mais alta e um número maior de focos podem continuar a aumentar o rendimento do AOSS, " disse o Prof.
Mais informações: Binzhang Jiao Jiao et al, Litografia multifotônica de varredura acústica-óptica com comutação espacial, International Journal of Extreme Manufacturing (2023). DOI:10.1088/2631-7990/ace0a7
Fornecido por International Journal of Extreme Manufacturing
