Parallelization of the two-photon polymerization technique by the use of a spatial light modulator

Two-photon polymerization (2PP) is a simple low-cost additive manufacturing technique, which allows the fabrication of 3D micro and nano-scale structures with resolution smaller than the diffraction limit of light. However, 2PP suffers from a major drawback, which is its low fabrication rate. A spatial light modulator (SLM) was recently employed to split the laser beam into multiple beams to reduce the fabrication time by establishing parallel writing. The aim of this thesis work is the development of an operating setup for the parallelization of the 2PP technique employing an SLM and the fabrication of 3D microstructures, called scaffolds, using multi-foci patterns to reduce the fabrication time. Two different parallel fabrication approaches are demonstrated: the use of four parallel foci to fabricate four independent scaffolds and the dynamic use of two and six foci to fabricate a single scaffold. After studying the best fabrication parameters, scaffolds are fabricated at a writing speed of 200 μm/s for the four foci and 175 μm/s for the two and six foci, which corresponds to a fabrication time of 15.5 seconds and 24 seconds per scaffold respectively. The next goal is to fabricate at the high writing speed of 3 mm/s, which would lead to a fabrication time of about 1.2 seconds, with an incredible 83% time saving with respect to the current state of the art of 7 seconds per scaffold, meaning a great cost saving and opening the way to the large-scale production with 2PP.

La fotopolimerizzazione a due fotoni (2PP) è una tecnica di produzione additiva semplice e a basso costo, che consente la realizzazione di strutture tridimensionali di dimensioni micro e nanometriche con risoluzione inferiore al limite di diffrazione della luce. Tuttavia, la 2PP presenta un grande svantaggio, ovvero l’elevato tempo di fabbricazione. Recentemente è stato impiegato un modulatore di luce spaziale (SLM) per dividere il raggio laser in più fasci allo scopo di ridurre il tempo di fabbricazione stabilendo una scrittura parallela. Lo scopo di questo lavoro di tesi è lo sviluppo di un setup funzionante per la parallelizzazione della tecnica 2PP attraverso l’impiego di un SLM e la realizzazione di microstrutture 3D, chiamate scaffold, utilizzando pattern multifocali per ridurre il tempo di fabbricazione. Si dimostrano due diversi approcci di fabbricazione parallela: l'uso di quattro fuochi paralleli per la realizzazione di quattro scaffold indipendenti e l'uso dinamico di due e sei fuochi per la realizzazione di un unico scaffold. Dopo aver studiato i migliori parametri di fabbricazione, gli scaffold sono stati fabbricati ad una velocità di scrittura di 200 μm/s per i quattro fuochi e 175 μm/s per i due e sei fuochi, che corrispondono ad un tempo di fabbricazione di 15,5 secondi e 24 secondi per scaffold rispettivamente. Il prossimo obiettivo della ricerca è la fabbricazione ad un'elevata velocità di scrittura di 3 mm/s, che porterebbe ad un tempo di fabbricazione di circa 1,2 secondi con un incredibile risparmio di tempo del 83% rispetto allo stato attuale dell'arte di 7 secondi per scaffold, il che significa un grande risparmio di costi e una maggior apertura verso la produzione su larga scala con la 2PP.