Pelajaran 13.8Mikro & nanoBab 13 · Mikro- dan nanofabrikasi

Two-photon polymerization

Mengeraskan resin hanya pada fokus laser untuk mencetak mikro-part 3D

Two-photon polymerization adalah cetak 3D pada skala sel hidup. Laser terfokus mengeraskan resin cair hanya pada titik fokusnya, sehingga menggerakkan titik itu menggambar objek dengan detail di bawah satu mikron (0,001 mm). Teknik ini mencetak mikrolensa pada ujung serat optik dan perancah untuk menumbuhkan sel.

Foto: Spanholz, CC BY-SA 4.0, melalui Wikimedia Commons

two-photon polymerization · printer tampak samping, zoom fokus, dan part jadiAngka berlingkar sesuai dengan langkah di bawah; panel kanan memperbesar fokus dan menunjukkan part jadi.

Cara kerjanya

Teteskan resin. Setetes fotoresin cair (plastik yang mengeras di bawah cahaya) diletakkan pada kaca preparat, atau langsung pada ujung serat atau chip.
Fokuskan laser. Pulsa femtodetik cahaya inframerah dekat (tepat di luar merah, tak terlihat oleh kita) melewati objektif mikroskop, lensa yang kuat. Pulsa itu berkonvergensi pada satu titik di dalam resin.
Keraskan hanya fokusnya. Hanya pada fokus cahaya cukup intens agar molekul menyerap dua foton (partikel cahaya) sekaligus. Itu mengeraskan voxel: piksel 3D sekitar satu mikron atau lebih kecil.
Tulis dalam 3D. Cermin dan stage menggerakkan fokus sepanjang lintasan yang diiris dari model CAD, titik demi titik dan lapisan demi lapisan. Part tumbuh di dalam cairan, sering tanpa struktur support.
Bilas cairannya. Pelarut membilas resin yang belum mengeras, menampakkan mikro-part padat. Part yang rapuh dikeringkan dengan hati-hati agar tegangan permukaan cairan tidak membengkokkannya.

Fakta kunci

Material: Fotoresin: akrilat, epoksi seperti SU-8, resin hibrida organik-kaca; beberapa resin biokompatibel atau pembentuk kaca
Komponen khas: Mikrolensa dan optik, perancah sel, filter mikrofluida, metamaterial kisi, patung terkecil di dunia
Ukuran komponen: Fitur mulai dari sekitar 0,1 µm; part utuh biasanya berukuran mikrometer hingga beberapa milimeter
Presisi: Detail sub-mikron; sistem penelitian mencapai fitur sekitar 100 nm atau kurang
Hasil permukaan: Cukup halus untuk optik; langkah lapisan halus terlihat di bawah mikroskop elektron
Ukuran batch yang cocok: Prototipe dan seri kecil; juga master untuk mencetak salinan
Biaya perkakas dan mesin: Tanpa perkakas; printer sering berharga beberapa ratus ribu dolar
Kecepatan: Lambat: part berukuran beberapa milimeter bisa memakan waktu berjam-jam

Kekuatan dan batasan

Kekuatan

3D bentuk bebas sejati pada resolusi sub-mikron
Tanpa mask atau cetakan: langsung dari CAD ke part
Mencetak pada serat, chip, dan di dalam saluran
Permukaan halus berkualitas optik dimungkinkan

Batasan

Sangat lambat untuk apa pun di atas beberapa milimeter
Volume build kecil dan printer mahal
Terbatas pada resin yang diawetkan dengan cahaya
Penyusutan mendistorsi part kecuali desain mengompensasinya

Di mana dipakai

FotonikaMikrolensa pada ujung serat, pemandu gelombang, optik difraktif
Ilmu hayatiPerancah untuk sel dan penelitian sel punca, mikro-jarum
MikrofluidaFilter dan mixer 3D yang dicetak di dalam saluran
MEMS dan sensorMikro-pegas, mikro-gripper, ujung untuk mikroskop gaya atom
Penelitian materialMetamaterial mekanis (kisi dengan sifat tak biasa), nano-kisi
Seni dan penjangkauan publikMikro-patung dan objek terkecil di dunia

Cara mengenalinya

Anda hampir tidak akan pernah melihatnya: part-nya lebih kecil daripada butir pasir dan berada di laboratorium, optik prototipe, dan perangkat penelitian.
Di bawah mikroskop: objek 3D berbentuk sempurna dengan garis lapisan berundak halus, seperti cetakan 3D mini.
Overhang, kisi, dan bentuk berongga tertutup yang tidak bisa dilepas dari cetakan mana pun.
Lensa atau struktur yang duduk tepat di ujung potongan serat optik.

Bandingkan dengan

Stereolithography8.2juga mengeraskan resin dengan cahaya, tetapi lapis demi lapis dalam bak; jauh lebih besar dan lebih cepat, dengan detail puluhan mikron.Permesinan laser femtosekon13.6laser jenis yang sama, tetapi menghilangkan material, bukan membangunnya.Volumetric printing8.10juga mengawetkan resin di dalam cairan, tetapi seluruh objek sekaligus dari banyak sudut; cepat, tetapi jauh lebih kasar.

Tonton

g Fun Facts online · Penjelasan singkat dan sederhana tentang prinsipnya

scientificblogging · Mobil balap yang lebih kecil dari butir pasir sedang dicetak

Nanoscribe · Mikro-part hasil cetak dan close-up mikroskop elektron

UpNano · Printer komersial dan bagaimana bagian-bagiannya dibuat

Lihat foto asli

Wikipedia: Multiphoton lithography — prinsip, material, dan aplikasi; sedikit foto
Pencarian foto Wikimedia Commons

Ingat

Resin mengeras hanya di tempat dua foton tiba sekaligus: pada fokus laser.
Menggerakkan fokus itu menggambar bentuk 3D sejati dengan detail sub-mikron.
Prosesnya lambat dan berskala kecil: ideal untuk mikro-optik, perancah, dan prototipe.