TPP 双光子3D打印：神奇的纳米级3D打印技术
点击量：1361 发布时间：2017-03-23 作者：状迈（上海）增材制造技术有限公司
2015年10月，习大大在访问英国期间参观了著名的英国帝国理工学院，得到了学院杨广中教授赠送的特殊礼物--打印在一块正方形硅片上的一段只有100微米长的中国长城。这种神奇的技术就是双光子3D打印技术，使用材料为光敏材料。听着离普通人很遥远是吧？实际上，我国在双光子3D打印技术方面领先世界。据我了解，中科院在双光子3D打印领域已经开展了十几年的研究，并取得了一系列研究成果。
TPP打印过程
双光子3D打印（Two-photonpolymerization，TPP），学名为双光子激光直写技术、双光子聚合光固化成形技术。常见的3D打印机工作原理都是分层制造，层与层之间的精度很受限，存在所谓的“台阶效应”。这使得3D打印机难以制造低粗糙度、高精度的器件，如各种光学元件、微纳尺度的结构器件等等。而双光子3D打印技术的出现有望完美解决这个问题。
习近平总书记在伦敦皇家学院收到的3D打印长城（长度100微米）
为了帮助大家更好地理解这项技术，首先要知道什么叫做“双光子吸收效应。”SLA/DLP或是PolyJet技术所利用的都是单光子聚合，将一个光子作为基础单位进行吸收，一次只能通过一个光子。但是实际上，极少数情况下，由于物质中存在特殊的能级跃迁模式，也会出现同时吸收两个光子的情况，这就是“双光子吸收效应”。但双光子吸收的条件非常苛刻，它要求特定的物质和极高的能量密度。只有在高度聚焦的激光中心部位，才会有足够高的辐照度来确保有两个光子同时被吸收。
TPP双光子3D打印技术原理示意图
利用了TPP双光子3D打印技术，打印精度可以达到纳米级。通过将激光聚焦在光敏树脂内，计算机控制移动纳米级精密移动台，焦点经过的位置，光敏树脂会变性、固化，从而可以打印任意形状的三维物体。由于双光子聚合发生的固化只发生在激光聚焦的光敏树脂槽中央，而不是像SLA/DLP一样发生在树脂槽液面或者树脂槽底部，因此，使用TPP技术的3D打印机无需将打印件从树脂槽底部剥离，也无需安装刮刀进行光敏树脂液面的涂覆。
TPP双光子3D打印机
TPP技术是现在市面精度最高的3D打印技术。TPP技术广泛应用于微光学，微电子，微流控，微器件等领域，它给3D打印从业者和科学家提供了一种强有力的解决方案，来设计和加工多种多样的微纳结构。
TPP技术最典型的应用是在科研领域。
光子晶体（Photonic Crystal）的单元结构极其微小，加工起来非常困难。使用TPP技术则可以非常方便地加工出这种周期性排列的微纳结构。
利用TPP技术加工的三维光子晶体
科学家利用TPP技术在光纤顶端加工的内窥镜
TPP技术也被应用在艺术领域。2014年，艺术家Jonty Hurwitz与Weitzmann Institute of Science的科学家合作，利用TPP技术在一根针上制成了世界上最小的雕塑。
双光子3D打印技术制作的自由女神像
尤达大师
虽然双光子激光直写技术在微纳尺度加工领域具有极大的优势，但并非全无缺点。与胶片拍摄图像类似，TPP的光敏材料需要进行显影和定影等过程，从而将打印的3D物体固定下来，因此加工过程更为繁琐。
从上文叙述中可以看出，这项技术能否成功的关键很大程度上取决于纳米精度的移动台，因此运动系统极其精密且昂贵。下图是一台典型双光子直写仪的基本配置，从软件到硬件需要完美配合，所以往往造价不菲。
