Взгляд на микро 3D-печать — уникальный взгляд на технологию аддитивного производства

В целом, большинство инноваций в обрабатывающей промышленности разрабатываются вокруг возможности производить большие 3D-печатные детали. Однако с ростом спроса на миниатюрное оборудование в области электроники, биотехнологий, автомобилестроения и аэрокосмической промышленности люди все больше интересуются технологией производства микроаддитивных материалов. Итак, насколько велик рынок мелких деталей? В этом выпуске, основанном на анализе JRg Smolenski, менеджера по развитию бизнеса Nanoscribe, 3D Science Valley и Guyou собрались вместе, чтобы понять основные принципы и различные типы технологий микроаддитивного производства, а также основные преимущества микроаддитивного производства. технологии, которые могут помочь рынку двигаться вперед, и области, которые необходимо улучшить.

Технология микро 3D печати

НаноСкрайб

Незаменимое в крошечном мире

Термин микроаддитивное производство обычно используется взаимозаменяемо с трехмерной микрообработкой или высокоточным аддитивным производством, но на самом деле они не являются точными синонимами. Как правило, аддитивное производство больше относится к промышленной производственной среде, а трехмерная микрообработка — это общий термин, описывающий все методы, такие как метод фотолитографии, который очень популярен и широко используется в производстве МЭМС (это огромный зрелый рынок, и метод очень взрослый). Существует множество других методов трехмерной микрообработки, таких как методы микрофлюидики, цифровые методы на основе электронно-лучевой литографии и так далее.

Чтобы проиллюстрировать состояние технологии микроаддитивного производства, предполагается, что в 3D-печати деталь сначала создается и описывается в цифровом виде с помощью массива точек, где точка (воксель) представляет собой минимальную единицу печати. Размер вокселя варьируется от нанометра до макроскопического. Поэтому процесс микро-3D-печати требует использования микронных или субмикронных вокселей, что имеет решающее значение для производства микропродуктов. Таким образом, термин «микро 3D-печать» относится к изготовлению сверхточных мельчайших деталей, форма которых не может быть достигнута с помощью процесса микролитья под давлением и других типов традиционных производственных процессов.

По данным 3D Science Valley, в развитии технологии 3D-печати есть два разных направления, одним из которых является технология широкоформатной 3D-печати. Еще одно внимание уделяется микроаспекту, то есть технологии 3D-печати, позволяющей производить точные и микроустройства. Микро-нано-3D-печать может производить сложные и тонкие устройства, что является воплощением преимуществ технологии 3D-печати, или перевернет индустрию производства точных устройств.

Малая сила меняет мир! 3D Science Valley однажды поделилась, что основная технология компании Cytosurge, занимающейся 3D-печатью на микронном уровне, разработана в ETH Zurich University of Technology. На основе запатентованной технологии FluidFM компания разрабатывает, производит и продает инновационные высокоточные металлические 3D-принтеры с нанотехнологиями. Эта технология представляет собой технологию жидкостно-силовой микроскопии и имеет множество применений в науках о жизни и биофизике.

В Китае будущая технология интеллектуального трехмерного прецизионного производства с микронной точностью West Lake восполнит рыночный разрыв от сотен нанометров до сотен микрон в прецизионной обработке в электронной и оптической областях за счет интеграции металлов, керамики, магнитных материалов, полимеров, и т.п.

Когда деталь измеряется до толщины слоя 5 микрон и разрешения 2 микрона в одноразрядных микрометрах, начинается процесс микро-3D-печати. Интересно, что некоторые процессы микроаддитивного производства могут производить компоненты, измеряемые в нанометрах (нм), что в 1000 раз меньше микрона. Например, чтобы лучше представить себе, что представляет собой этот уровень микропроизводства, люди обычно вспоминают, что средняя ширина человеческого волоса составляет 75 микрон, а диаметр нити ДНК человека составляет 2,5 нанометра.

При миниатюризации контроль габаритных размеров имеет решающее значение, и микро-3D-печать может достичь «следующего уровня» миниатюризации. В частности, такие приложения, как электроника, оптика, полупроводники, медицинские устройства, медицинские инструменты, микролитье под давлением, микрофлюидика и датчики, — это области, в которых микро3D-печать играет уникальную роль.

Например, высокоточная 3D-биопечать может использоваться в качестве индивидуального каркаса для тканевой инженерии и исследования клеток, а также применима ко многим другим инновационным биомедицинским микросредам, требующим точности, скорости, разнообразия материалов и стерильности. Трехмерная микрообработка может приблизить исследования в области наук о жизни к концепции регенеративной медицины для лечения заболеваний в этой области. Например, ученые из Бостонского университета разработали мягкую и механически активную платформу для культивирования клеток с помощью платформы микрофлюидного чипа, изготовленной методом двухфотонной полимеризации (2PP), для изучения ткани миокарда в настраиваемой трехмерной микросреде. Эта платформа для культивирования клеток позволяет ткани сердца расти в трехмерной среде и наблюдать за ее самосборкой в ​​месте прикрепления клеток к вертикальной стенке чипа. Встроенный электронный датчик измеряет силу, возникающую при сокращении культивируемых клеток сердца. Кроме того, исследователи интегрировали в чип механический привод. С помощью этого привода ученые изучили влияние постоянной и динамической механической нагрузки на ткани сердца. Мы можем ожидать много других захватывающих применений микро-3D-печати в тканевой инженерии, клеточной биологии и регенеративной медицине.

Встроенная в Quantum X двухфотонная серая литография (2GL) и базовая технология настройки вокселей позволяют создавать 2,5D-микроструктуры с субмикронной точностью формы и шероховатостью поверхности менее 5 нм (Ra).

НаноСкрайб

Вообще говоря, мы считаем, что 10 микрон и меньше — это микроаддитивное производство. Конечно, если все они находятся в диапазоне 1-3 микрон, это наиболее точное определение микро-АМ.

Как и несколько типов процессов AM, существуют также различные типы микропроцессов AM, в том числе: наплавление (FFD), прямое написание чернил (DIW), прямое энергетическое нанесение (DED), изготовление ламинированных объектов (LOM), электрогидродинамическая окислительно-восстановительная печать ( EHDP), плавление в порошковом слое (PBF), 3D-печать на основе фотополимеризации (P3DP) и лазерное химическое осаждение из паровой фазы (LCVD).

Технология микро 3D печати

Белая книга 3D Science Valley

Процесс микро3D-печати на основе смолы в настоящее время является наиболее признанным процессом на рынке благодаря своим преимуществам в разрешении, качестве, воспроизводимости и скорости. Кроме того, DED и EHDP могут достигать более высокого разрешения. Однако высокая стоимость и низкая производительность, связанные с этими процессами, ограничивают их применение. Однако из-за их ограниченного разрешения они по-прежнему имеют ограничения в реализации небольших высокоточных деталей или конструкций.

По сравнению с этими методами, Nanoscribe 2PP может создавать элементы с минимальным размером всего 100 нм. Согласно исследованиям, разработка новых оптических методов привела к развитию процесса микроаддитивного производства, особенно процесса 3D-печати, основанного на фотополимеризации. По мнению экспертов, использование источников света с более короткими длинами волн (таких как УФ-лучи) и объективов с более высокой NA (числовой апертурой) может обеспечить более высокое разрешение, что обычно является одной из самых серьезных проблем в микро-AM.

По сравнению с другими методами, основанными на термообработке и ламинировании, оптический метод делает связь соседних вокселей более прочной. Этапы постобработки, такие как УФ-отверждение, также помогают улучшить качество компонентов 3D-печати. Наконец, в отчете говорится, что из-за бесконтактного пути между зоной обработки и системой освещения лазерное пятно или оптическая картина обрабатываемого сырья могут помочь улучшить стабильность и воспроизводимость.

При этом наиболее известные процессы производства микроаддитивных материалов включают DLP и микростереолитографию (μ SLA), проекционную микростереолитографию (P μ SL), двухфотонную полимеризацию (2PP или TPP), производство металлов на основе литографии ( LMM), электрохимическое осаждение и микромасштабное селективное лазерное спекание (µ SLS).

Технология прямой проекции света (DLP)

Технология DLP позволяет достичь воспроизводимого микронного разрешения за счет сочетания DLP с использованием адаптивной оптики. Одно из основных отличий между SLA и SLA, которые обычно называют очень похожими, заключается в том, что SLA должен использовать лазер для отслеживания одного слоя, в то время как DLP использует проекционный источник света для одновременного затвердевания всего слоя.

Микростереолитография (μ SLA)

Микростереолитография (MPuSLA), также основанная на наложении фотоиндуцированных слоев, используется для создания физических компонентов путем воздействия на фоточувствительную полимерную смолу ультрафиолетовым лазером.

Проекционная микростереолитография (P μ SL)

P µ SL — это фотополимеризация с высоким разрешением (до 0,6), запускаемая проекцией площади (мкм). Технология 3D-печати позволяет создавать сложные 3D-архитектуры, охватывающие различные масштабы и материалы. Обычно считается, что машины, основанные на этом процессе, сочетают в себе преимущества технологий DLP и SLA. Благодаря своей доступности, точности, скорости и способности обрабатывать полимеры, биоматериалы и керамику процесс быстро развивался.

Изготовление металла на основе фотолитографии

После равномерного диспергирования в фоточувствительной смоле металлический порошок затем селективно полимеризуется под воздействием синего света. Затем напечатанные на 3D-принтере зеленые детали спекают в печи для получения плотных деталей.

Двухфотонная полимеризация (2PP или TPP)

Этот процесс обычно считается наиболее точным для микро-3D-принтеров. 2PP — это метод прямого лазерного письма, который может работать с микроструктурами 3D и 2.5D без дорогостоящего создания маски и многократной литографии. Можно сказать, что 2PP полностью реализовал свой потенциал между безмасочной литографией и высокоточным аддитивным производством.

Согласно пониманию рынка 3D Science Valley, 2PP продвигает микропроизводство деталей на плоских подложках на уровне пластины, например, в областях применения оптических волокон, фотонных чипов и микрожидкостных каналов с внутренними уплотнениями.

2PP требует специальной светочувствительной смолы для облегчения обработки, достижения оптимального разрешения и точности формы, а также для различных применений. В настоящее время высокоточная 3D-печать на основе двухфотонной полимеризации очень подходит для быстрого прототипирования дизайна приложений, таких как биомедицинское оборудование, микрооптика, МЭМС, микрофлюидное оборудование, фотонная упаковка (например, PIC), проекты по инженерии поверхностей и т. д. Возможности обработки пластин делают серийную обработку и мелкосерийное производство трехмерных микродеталей проще, чем когда-либо прежде.

Электрохимическое осаждение

Электрохимическое осаждение — редкая технология микро3D-печати без какой-либо постобработки. В этом процессе используется небольшое печатающее сопло, называемое ионным наконечником, которое погружается в ванну с поддерживающим электролитом. Регулируемое давление воздуха проталкивает жидкость, содержащую ионы металлов, через микроканал в ионном наконечнике. В конце микроканала жидкость, содержащая ионы, выбрасывается на поверхность печати. Затем растворенные ионы металлов осаждаются электроосаждением в твердые атомы металла. Последний затем вырастает в более крупные строительные блоки (воксели), пока не сформируется часть.

Микромасштабное селективное лазерное спекание (μ SLS)

Это аддитивное производство, основанное на плавлении в порошковом слое, также известное как селективное лазерное спекание на микронном уровне (SLS), включает в себя нанесение слоя чернил с металлическими наночастицами на подложку, а затем его сушку для создания однородного слоя наночастиц. Затем лазер спекает наночастицы в желаемый узор. Затем повторяйте процесс, пока деталь не будет создана.

Увлекательные мелкие детали

С развитием новых технологий обработки, таких как двухфотонная литография в оттенках серого (2GL) и сочетание более мощных лазеров и усовершенствованного оборудования (например, предметного столика и сканера), статус-кво микроаддитивного производства изменился. Напротив, другие более традиционные технологии аддитивного производства, такие как DLP, SLA и проекционная микростереолитография (P μ SL), позволяют производить только более крупные структуры, однако, когда речь идет о высоком разрешении (<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="">

Согласно наблюдению за рынком, проведенному 3D Science Valley, Nanoscribe предлагает новое промышленное решение для упаковки фотонов с помощью недавно запущенного выравнивания Quantum X. Потери связи уменьшаются за счет согласования полей мод на уровне компонентов, а не на уровне микросхем. Высокоточная 3D-печать с автоматическим выравниванием нано-прецизионности способствует прямому изготовлению микрооптических элементов на фотонных чипах и волоконных сердцевинах, а также прямой печати микрооптических элементов произвольной формы или дифракционных оптических элементов (DOE) в соответствующих местах, что способствует оптимальному оптическому измерению. связь на фотонных платформах.

Запатентованная Nanoscribe двухфотонная полутоновая литография (2GL) значительно ускоряет высокоточную микрообработку 2,5D-структур для оптических применений, таких как высочайшая точность формы и поверхности оптического класса (Ra меньше или равна 5 нм). Чтобы еще больше расширить масштабы производства, Nanoscribe опробовала две надежные и проверенные стратегии репликации с EV Group и kdg opticom.

Как и любой процесс 3D-печати, микро-3D-печать позволяет пользователям пользоваться свободой дизайна. Одной из задач в области фотонной интеграции, оптических вычислений и передачи данных является содействие выравниванию и компоновке фотонных компонентов. Специальные решения для 3D-печати, основанные на аппаратном и программном обеспечении, могут обеспечить эффективную связь при слабом освещении.

По сравнению с теми же деталями, изготовленными с помощью традиционного производственного процесса, скорость изготовления небольшой детали впечатляет. С развитием миниатюрных микропродуктов микро-3D-печать применима ко всем отраслям, связанным с мелкими и точными деталями. Традиционно стоимость производства мелких деталей была высокой, а микроаддитивное производство теперь предлагает более дешевые и простые в использовании решения.

Знание глубоко, но действие далеко. Основанная на глобальной сети экспертных аналитических центров обрабатывающей промышленности, 3D Science Valley предоставляет отрасли всестороннее наблюдение за аддитивными материалами и интеллектуальным производством с глобальной точки зрения. Для более подробного анализа аддитивного производства, пожалуйста, обратите внимание на серию официальных документов, выпущенных 3D Science Valley.