Wgląd w mikrodruk 3D — wyjątkowy wgląd w technologię wytwarzania przyrostowego

Ogólnie rzecz biorąc, większość innowacji w branży produkcyjnej jest opracowywanych wokół możliwości wytwarzania dużych części drukowanych w 3D. Jednak wraz z rosnącym zapotrzebowaniem na zminiaturyzowany sprzęt w dziedzinie elektroniki, biotechnologii, motoryzacji i lotnictwa, ludzie są coraz bardziej zainteresowani technologią wytwarzania mikrododatków. Jak duży jest więc rynek małych części? W tym wydaniu, w oparciu o analizę JRg Smolenskiego, kierownika ds. rozwoju biznesu Nanoscribe, 3D Science Valley i Guyou, spotykają się, aby zrozumieć podstawowe zasady i różne rodzaje technologii wytwarzania mikro addytywnego, a także główne zalety wytwarzania mikro addytywnego technologia, która może pomóc rynkowi iść naprzód i obszary, które wymagają poprawy.

Technologia mikrodruku 3D

NanoScribe

Niezastąpiony w maleńkim świecie

Termin mikroprodukcja addytywna jest zwykle używany zamiennie z mikroobróbką 3D lub wysoce precyzyjną produkcją addytywną, ale w rzeczywistości nie są to dokładne synonimy. Ogólnie rzecz biorąc, wytwarzanie przyrostowe odnosi się bardziej do środowiska produkcji przemysłowej, a mikroprzetwarzanie 3D to ogólny termin opisujący wszystkie metody, takie jak metoda fotolitografii, która jest bardzo popularna i szeroko stosowana w produkcji MEMS (jest to ogromny dojrzały rynek, a metoda jest bardzo dojrzała). Istnieje wiele innych metod mikroobróbki 3D, takich jak metody mikroprzepływowe, metody cyfrowe oparte na litografii wiązek elektronów i tak dalej.

W celu zobrazowania stanu technologii wytwarzania mikro addytywnego zakłada się, że w druku 3D część jest najpierw konstruowana i cyfrowo opisywana za pomocą tablicy punktowej, gdzie punkt (voxel) reprezentuje minimalną jednostkę drukującą. Rozmiar woksela waha się od nanometra do makroskopowego. Dlatego proces mikrodruku 3D wymaga użycia wokseli mikronowych lub submikronowych, co ma kluczowe znaczenie przy wytwarzaniu mikroproduktów. Dlatego termin „mikrodruk 3D” odnosi się do wytwarzania bardzo precyzyjnych, maleńkich części, których kształtu nie można uzyskać za pomocą procesu mikroformowania i innych rodzajów tradycyjnych procesów produkcyjnych.

Według 3D Science Valley, rozwój technologii druku 3D skupia się na dwóch różnych kierunkach, z których jednym jest technologia wielkoformatowego druku 3D. Kolejny nacisk kładziony jest na aspekt mikro, czyli technologię druku 3D zdolną do wytwarzania precyzyjnych i mikrourządzeń. Druk 3D w technologii Micro nano może produkować złożone i doskonałe urządzenia, co jest ucieleśnieniem zalet technologii druku 3D, lub obalić przemysł produkcji precyzyjnych urządzeń.

Mała moc zmienia świat! 3D Science Valley powiedział kiedyś, że podstawowa technologia Cytosurge, firmy zajmującej się drukowaniem na poziomie mikronowym, pochodzi z ETH Zurich University of Technology. W oparciu o opatentowaną technologię FluidFM firma opracowuje, produkuje i sprzedaje innowacyjne, nanotechnologiczne, metalowe drukarki 3D o wysokiej precyzji. Ta technologia reprezentuje technologię mikroskopii sił płynów i ma wiele zastosowań w naukach przyrodniczych i biofizyce.

W Chinach przyszła inteligentna technologia precyzyjnego wytwarzania 3D z dokładnością na poziomie mikronów West Lake wypełni lukę rynkową od setek nanometrów do setek mikronów w precyzyjnej obróbce w polach elektronicznych i optycznych poprzez integrację metalu, ceramiki, materiałów magnetycznych, polimerów, itp.

Gdy część jest mierzona do grubości warstwy 5 mikronów i rozdzielczości 2 mikronów w mikrometrach jednocyfrowych, rozpoczyna się proces drukowania mikro 3D. Co ciekawe, niektóre mikroprocesy wytwarzania addytywnego mogą wytwarzać komponenty mierzone w nanometrach (nm), 1000 razy mniejszych niż mikron. Aby lepiej zobrazować, jak wygląda ten poziom mikroprodukcji, ludzie zwykle pamiętają, że średnia szerokość ludzkiego włosa wynosi 75 mikronów, podczas gdy średnica ludzkich nici DNA wynosi 2,5 nanometra.

W miniaturyzacji kontrola ogólnych wymiarów ma kluczowe znaczenie, a mikrodruk 3D może osiągnąć „następny poziom” miniaturyzacji. W szczególności zastosowania takie jak elektronika, optyka, półprzewodniki, urządzenia medyczne, narzędzia medyczne, mikrowtrysk, mikroprzepływy i czujniki to dziedziny, w których mikrodruk 3D odgrywa wyjątkową rolę.

Na przykład, wysokoprecyzyjne biodrukowanie 3D może być wykorzystywane jako niestandardowe rusztowanie do inżynierii tkankowej i badań komórkowych oraz ma zastosowanie w wielu innych innowacyjnych mikrośrodowiskach biomedycznych, które wymagają precyzji, szybkości, różnorodności materiałów i sterylności. Mikroprzetwarzanie 3D może przybliżyć badania nauk przyrodniczych do koncepcji medycyny regeneracyjnej w leczeniu chorób w tej dziedzinie. Na przykład naukowcy z Uniwersytetu Bostońskiego opracowali platformę do miękkiej i aktywnej mechanicznie hodowli komórek za pomocą mikroprzepływowej platformy chipowej wytwarzanej przez polimeryzację dwufotonową (2PP) do badania tkanki mięśnia sercowego w konfigurowalnym mikrośrodowisku 3D. Ta platforma do hodowli komórek umożliwia wzrost tkanki serca w środowisku 3D i umożliwia obserwację jej samoorganizacji w miejscu mocowania komórek na pionowej ścianie chipa. Zintegrowany czujnik elektroniczny mierzy siłę generowaną przez skurcz hodowanych komórek serca. Ponadto naukowcy zintegrowali z chipem mechaniczny siłownik. Dzięki temu siłownikowi naukowcy zbadali wpływ stałego i dynamicznego obciążenia mechanicznego na tkankę serca. Możemy spodziewać się wielu innych ekscytujących zastosowań mikrodruku 3D w inżynierii tkankowej, biologii komórki i medycynie regeneracyjnej.

Zintegrowana dwufotonowa litografia w skali szarości (2GL) Quantum X i jej podstawowa technologia dostrajania wokseli mogą wytwarzać mikrostruktury 2.5D z submikronową dokładnością kształtu i chropowatością powierzchni poniżej 5 nm (Ra).

NanoScribe

Ogólnie rzecz biorąc, uważamy, że 10 mikronów i mniej to mikroprodukcja addytywna. Oczywiście, jeśli to wszystko mieści się w zakresie 1-3 mikronów, to jest to najdokładniejsza definicja mikro AM.

Podobnie jak kilka rodzajów procesów AM, istnieją również różne rodzaje procesów mikro AM, w tym: osadzanie bezpieczników (FFD), bezpośrednie pisanie atramentem (DIW), bezpośrednie osadzanie energii (DED), wytwarzanie przedmiotów laminowanych (LOM), druk elektrohydrodynamiczny redox ( EHDP), stapianie w złożu proszkowym (PBF), druk 3D oparty na fotopolimeryzacji (P3DP) i laserowe osadzanie z fazy gazowej (LCVD).

Technologia mikrodruku 3D

Biała księga 3D Science Valley

Proces mikrodruku 3D na bazie żywicy jest obecnie najbardziej rozpoznawalnym procesem na rynku ze względu na jego zalety w zakresie rozdzielczości, jakości, odtwarzalności i szybkości. Ponadto DED i EHDP mogą osiągnąć wyższą rozdzielczość. Jednak wysoki koszt i niska szybkość wytwarzania związane z tymi procesami ograniczają ich zastosowanie. Jednak ze względu na ograniczoną rozdzielczość nadal mają ograniczenia w realizacji małych, precyzyjnych części lub struktur.

W porównaniu z tymi metodami, 2PP Nanoscribe może wytworzyć minimalny rozmiar elementu wynoszący zaledwie 100 nm. Według badań rozwój nowych metod optycznych doprowadził do postępu procesu wytwarzania mikroaddytywnego, a zwłaszcza procesu druku 3D opartego na fotopolimeryzacji. Według ekspertów, użycie źródeł światła o krótszych długościach fal (takich jak wiązki UV) i soczewek obiektywowych o wyższym NA (aperturze numerycznej) może osiągnąć wyższą rozdzielczość - co zwykle jest jednym z największych wyzwań w mikro AM.

W porównaniu z innymi metodami opartymi na obróbce cieplnej i laminowaniu, metoda optyczna wzmacnia połączenie sąsiednich wokseli. Etapy obróbki końcowej, takie jak utwardzanie UV, również pomagają poprawić jakość komponentów do druku 3D. Wreszcie raport stwierdza, że ​​ze względu na brak kontaktu między obszarem przetwarzania a systemem oświetlenia, plamka lasera lub wzór optyczny przetwarzanych surowców może przyczynić się do poprawy stabilności i powtarzalności.

W związku z tym najbardziej znane procesy produkcyjne mikrododatków obejmują DLP i mikrostereolitografię（ μ SLA, mikrostereolitografię projekcyjną (P μ SL), polimeryzację dwufotonową (2PP lub TPP), produkcję metali w oparciu o litografię ( LMM), osadzanie elektrochemiczne i selektywne spiekanie laserowe w mikroskali（ μ SLS).

Technologia bezpośredniej projekcji światła (DLP)

Technologia DLP może osiągnąć powtarzalną rozdzielczość mikronów, łącząc DLP z wykorzystaniem optyki adaptacyjnej. Jedną z głównych różnic między SLA i SLA, które zwykle nazywa się bardzo podobnymi, jest to, że SLA musi używać lasera do śledzenia jednej warstwy, podczas gdy DLP używa źródła światła projekcyjnego do zestalania całej warstwy na raz.

Mikrosterelitografia（ μ SLA)

Mikrolitografia stereofoniczna (MPuSLA), oparta również na fotoindukowanym układaniu warstw, jest wykorzystywana do budowy elementów fizycznych poprzez wystawienie światłoczułej żywicy polimerowej na działanie lasera ultrafioletowego.

Mikrolitografia projekcyjna stereo (P μ SL)

P μ SL to fotopolimeryzacja o wysokiej rozdzielczości (do 0.6) wyzwalana przez projekcję obszaru μ m). Technologia druku 3D może tworzyć złożone architektury 3D obejmujące wiele skal i materiałów. Ogólnie uważa się, że maszyny oparte na tym procesie łączą zalety technologii DLP i SLA. Ze względu na przystępną cenę, dokładność, szybkość i zdolność do przetwarzania polimerów, biomateriałów i ceramiki proces ten rozwinął się szybko.

Produkcja metalu na podstawie fotolitografii

Po równomiernej dyspersji w żywicy światłoczułej proszek metalowy jest następnie selektywnie polimeryzowany przez wystawienie na działanie światła niebieskiego. Wydrukowane w 3D zielone części są następnie spiekane w piecu w celu uzyskania gęstych części.

Polimeryzacja dwufotonowa (2PP lub TPP)

Ten proces jest ogólnie uważany za najdokładniejszy z mikrodrukarek 3D. 2PP to bezpośrednia metoda pisania laserowego, która może pracować na mikrostrukturach 3D i 2.5D bez kosztownego generowania masek i wielokrotnej litografii. Można powiedzieć, że 2PP wykorzystało swój pełny potencjał między litografią bezmaskową a wysokoprecyzyjną produkcją addytywną.

Zgodnie z rozumieniem rynku przez 3D Science Valley, 2PP promuje mikroprodukcję części na płaskich podłożach na poziomie płytki, na przykład w obszarach zastosowań światłowodów, chipów fotonicznych i kanałów mikroprzepływowych z wewnętrznymi uszczelnieniami.

2PP wymaga specjalnej światłoczułej żywicy w celu ułatwienia przetwarzania, uzyskania optymalnej rozdzielczości i dokładności kształtu oraz dostosowania do różnych zastosowań. Obecnie wysokoprecyzyjny druk 3D oparty na polimeryzacji dwufotonowej jest bardzo odpowiedni do szybkiego prototypowania projektu aplikacji, takiego jak sprzęt biomedyczny, mikrooptyka, MEMS, sprzęt mikroprzepływowy, opakowania fotoniczne (takie jak PIC), projekty inżynierii powierzchni itp. Możliwości przetwarzania wafli sprawiają, że przetwarzanie wsadowe i produkcja małych partii mikroczęści 3D są łatwiejsze niż kiedykolwiek wcześniej.

Osadzanie elektrochemiczne

Osadzanie elektrochemiczne to rzadka technologia mikrodruku 3D bez obróbki końcowej. W procesie tym wykorzystuje się małą dyszę drukującą zwaną końcówką jonową i zanurza ją w pomocniczej kąpieli elektrolitu. Regulowane ciśnienie powietrza przepycha ciecz zawierającą jony metali przez mikrokanał w końcówce jonowej. Na końcu mikrokanału ciecz zawierająca jony jest uwalniana na powierzchnię druku. Rozpuszczone jony metali są następnie osadzane elektrolitycznie na stałe atomy metali. Ten ostatni następnie rozrasta się w większe bloki budulcowe (voxele), aż uformuje się część.

selektywne spiekanie laserowe w mikroskali（ μ SLS)

Ta produkcja addytywna oparta na stapianiu w złożu proszkowym, znana również jako selektywne spiekanie laserowe na poziomie mikronowym (SLS), polega na powlekaniu warstwy atramentu nanocząstek metalu na podłożu, a następnie suszeniu go w celu wytworzenia jednolitej warstwy nanocząstek. Następnie laser spiekał nanocząstki w pożądany wzór. Następnie powtarzaj proces, aż część zostanie utworzona.

Fascynujące małe części

Wraz z postępem nowych technologii przetwarzania, takich jak litografia dwufotonowa w skali szarości (2GL) oraz połączenie laserów o większej mocy i ulepszonego sprzętu (takiego jak stolik i skaner), status quo mikrowytwarzania addytywnego uległ zmianie. W przeciwieństwie do tego inne, bardziej tradycyjne technologie wytwarzania przyrostowego, takie jak DLP, SLA i mikro-stereolitografia projekcyjna (P μ SL) mogą wytwarzać tylko większe struktury, jednak jeśli chodzi o wysoką rozdzielczość (<1 μ="" m)="" 3d="" micromachining,="" they="" will="" encounter="" geometric="" constraints.="" due="" to="" the="" inherent="" direct="" illumination="" of="" ultraviolet="" light,="" the="" resolution="" and="" design="" geometry="" are="">

Zgodnie z obserwacjami rynku 3D Science Valley, Nanoscribe zapewnia nowatorskie rozwiązanie przemysłowe do pakowania fotonów z niedawno wprowadzonym na rynek wyrównaniem Quantum X. Strata sprzężenia jest redukowana poprzez dopasowanie pola modów na poziomie komponentu, a nie na poziomie chipa. Precyzyjny druk 3D z automatycznym wyrównaniem nanoprecyzji promuje bezpośrednie wytwarzanie mikroelementów optycznych na chipach fotonicznych i rdzeniach światłowodowych oraz bezpośrednie drukowanie dowolnych mikroelementów optycznych lub dyfrakcyjnych elementów optycznych (DOE) w odpowiednich lokalizacjach, promując w ten sposób optymalną optykę sprzężenie na platformach fotonicznych.

Opatentowana dwufotonowa litografia w skali szarości (2GL) firmy Nanoscribe znacznie przyspiesza bardzo precyzyjną mikroobróbkę struktur 2,5D w zastosowaniach optycznych, takich jak najwyższa dokładność kształtu i powierzchnie klasy optycznej (Ra mniejsze lub równe 5 nm). W celu dalszego rozszerzenia skali produkcji, Nanoscribe wypróbował dwie niezawodne i sprawdzone strategie replikacji z EV Group i kdg opticom.

Jak każdy proces drukowania 3D, mikrodruk 3D pozwala użytkownikom korzystać ze swobody projektowania. Jednym z wyzwań w dziedzinie integracji fotonicznej, obliczeń optycznych i komunikacji danych jest promowanie wyrównania i pakowania komponentów fotonicznych. Specjalne rozwiązania do drukowania 3D oparte na sprzęcie i oprogramowaniu mogą zapewnić wydajne sprzężenie przy niskim poziomie światła.

W porównaniu z tymi samymi częściami wytwarzanymi w tradycyjnym procesie produkcyjnym, szybkość wytwarzania małej części jest fascynująca. Wraz z rozwojem zminiaturyzowanych mikroproduktów mikrodruk 3D ma zastosowanie we wszystkich gałęziach przemysłu zajmujących się małymi i precyzyjnymi częściami. Tradycyjnie koszt produkcji małych części był wysoki, podczas gdy mikroprodukcja addytywna zapewnia obecnie tańsze i łatwiejsze w użyciu rozwiązania.

Wiedza jest głęboka, ale działanie jest daleko. Opierając się na globalnej sieci ekspertów think tanków przemysłu wytwórczego, 3D Science Valley zapewnia branży dogłębną obserwację materiałów addytywnych i inteligentnej produkcji z perspektywy globalnej. Aby uzyskać więcej analiz na temat wytwarzania addytywnego, zwróć uwagę na serię oficjalnych dokumentów wydaną przez 3D Science Valley.