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中大3D打印術 速度快萬倍

陳世祈團隊研究5年,與美國實驗室合作研發FP-TPL 技術,使納米級3D打印速度大幅提高,並降低成本。

 

3D打印技術經過二十多年的發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打印技術屬於3D打印的一個分支,打印成品通常小到肉眼看不見,不過,複雜程度卻不輸傳統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,並變相節省成本,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。

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為克服現有技術的困難,陳世祈及其團隊潛心研究5年,並與美國「勞倫斯利佛摩國家實驗室」合作研發出 FP-TPL 技術。有關研究成果已在今年10月於全球性學術期刊《科學》上發表。新技術利用創新的聚焦方法,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,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,一般不用於打印較大型物品。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。

離工業化生產尚有距離

對於 FP-TPL 技術未來的應用範疇,陳世祈表示,因成本限制,FP-TPL距離大規模工業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用於光學及生物醫藥等學科的實驗研究,製造包括光子晶體、納米機器人、生物支架或超材料等實驗器材。

陳世祈畢業於台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,曾在哈佛醫學院進行研究工作。他於2011年加入中大,主要研究範圍包括納米3D打印、高速3D成像等。去年他憑藉「數字全息納米3D打印機」研究成果榮獲美國R&D全球百大科技研發獎。

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