L’approche à double laser pourrait réduire le coût de l’impression 3D haute résolution

Des chercheurs ont mis au point une nouvelle technique de polymérisation à deux photons qui utilise deux lasers pour imprimer en 3D des structures complexes à haute résolution. Cette avancée pourrait rendre ce procédé d’impression 3D moins coûteux, ce qui lui permettrait de trouver une utilisation plus large dans de nombreuses applications.

La polymérisation à deux photons est une technique de fabrication additive avancée qui utilise traditionnellement des lasers femtosecondes pour polymériser les matériaux de manière précise en 3D. Bien que ce procédé soit efficace pour la fabrication de microstructures à haute résolution, il n’est pas largement utilisé dans la fabrication, car les lasers femtosecondes sont coûteux et augmentent le coût d’impression des pièces.

« Nous avons combiné un laser relativement peu coûteux émettant de la lumière visible avec un laser femtoseconde émettant des impulsions infrarouges pour réduire la consommation d’énergie du laser femtoseconde », a déclaré Xianfan Xu, chef de l’équipe de recherche de l’université Purdue. « De cette façon, avec une puissance laser femtoseconde donnée, le débit d’impression peut être augmenté, ce qui entraîne une réduction du coût d’impression des pièces individuelles. »

Dans le journal Optique Expressles chercheurs montrent que l’approche à deux lasers réduit la puissance d’impression 3D au laser femtoseconde nécessaire jusqu’à 50 % par rapport à l’utilisation d’un laser femtoseconde seul.

« L’impression 3D à haute résolution a de nombreuses applications, notamment les appareils électroniques 3D, les micro-robots pour le domaine biomédical et les structures ou échafaudages 3D pour l’ingénierie tissulaire », a déclaré Xu. « Notre nouvelle approche d’impression 3D peut être facilement mise en œuvre dans de nombreux systèmes d’impression 3D laser femtoseconde existants. »

Trouver le bon équilibre laser

Ces nouveaux travaux s’inscrivent dans le cadre des efforts déployés par l’équipe de recherche pour améliorer en permanence la vitesse d’impression et réduire les coûts d’impression pour la polymérisation à deux photons, qui utilise le phénomène d’absorption à deux photons pour durcir ou solidifier avec précision un matériau photosensible.

« Dans un procédé d’impression par polymérisation à deux photons classique, le laser femtoseconde est d’abord utilisé pour initier un processus photochimique qui réduit les espèces inhibitrices dans le matériau avant le début de l’impression », a déclaré Xu. « Nous avons plutôt utilisé un laser à faible coût à cette fin. »

La nouvelle approche combine l’absorption d’un photon unique par un laser nanoseconde de 532 nm avec l’absorption de deux photons par un laser femtoseconde de 800 nm. Pour que cela fonctionne, les chercheurs ont dû trouver le bon équilibre entre l’impression et l’inhibition provoquées par les deux lasers.

Pour ce faire, ils ont créé un nouveau modèle mathématique qui les aide à comprendre les processus photochimiques impliqués et à calculer l’effet combiné des processus d’excitation à deux photons et à un photon. Ils ont également utilisé le modèle pour identifier les processus dominants qui contrôlent la réduction de la puissance du laser femtoseconde tout en obtenant les résultats d’impression souhaités.

Impression de structures détaillées

Après avoir peaufiné la nouvelle approche, ils l’ont utilisée pour imprimer diverses structures 2D et 3D en utilisant une puissance laser femtoseconde réduite. Il s’agissait notamment de tas de bois détaillés mesurant seulement 25 × 25 × 10 μm, ainsi qu’un buckyball à l’échelle du micron, une structure chirale et un nœud de trèfle. Les résultats expérimentaux ont montré que la nouvelle méthode réduisait la puissance requise du laser femtoseconde jusqu’à 80 % pour les structures 2D et jusqu’à environ 50 % pour les structures 3D.

« Cette nouvelle approche d’impression pourrait avoir un impact sur les technologies de fabrication, influençant le développement d’appareils dans les secteurs de l’électronique grand public et des soins de santé, aujourd’hui et à l’avenir », a déclaré Xu. Les chercheurs travaillent désormais à améliorer encore la vitesse d’impression et à réduire le coût de l’impression 3D.