Insight Into Micro 3D Printing – Jedinečný pohľad do technológie aditívnej výroby

Vo všeobecnosti sa väčšina inovácií vo výrobnom priemysle vyvíja okolo schopnosti vyrábať veľké 3D tlačené diely. S rastúcim dopytom po miniaturizovaných zariadeniach v oblasti elektroniky, biotechnológie, automobilového a leteckého priemyslu sa však ľudia stále viac zaujímajú o technológiu výroby mikroaditív. Aký veľký je teda trh s malými dielmi? V tomto čísle sa na základe analýzy JRg Smolenskiho, manažéra rozvoja podnikania spoločnosti Nanoscribe, 3D Science Valley a Guyou spojili, aby pochopili základné princípy a rôzne typy technológie výroby mikroaditív, ako aj hlavné výhody výroby mikroaditív. technológie, ktoré môžu pomôcť trhu napredovať a oblasti, ktoré je potrebné zlepšiť.

Technológia mikro 3D tlače

NanoScribe

Nenahraditeľná z maličkého sveta

Pojem mikroaditívna výroba sa zvyčajne používa zameniteľne s 3D mikroobrábaním alebo vysoko presnou aditívnou výrobou, ale v skutočnosti to nie sú presné synonymá. Vo všeobecnosti sa aditívna výroba týka skôr prostredia priemyselnej výroby a 3D mikrospracovanie je všeobecný pojem popisujúci všetky metódy, ako je napríklad metóda fotolitografie, ktorá je veľmi populárna a široko používaná vo výrobe MEMS (ide o obrovský vyspelý trh a metóda je veľmi vyspelý). Existuje mnoho ďalších metód 3D mikroobrábania, ako sú metódy pre mikrofluidiku, digitálne metódy založené na litografii s elektrónovým lúčom atď.

Na ilustráciu stavu technológie mikroaditívnej výroby sa predpokladá, že pri 3D tlači je dielec najskôr skonštruovaný a digitálne opísaný prostredníctvom bodového poľa, kde bod (voxel) predstavuje minimálnu tlačovú jednotku. Veľkosť voxelov sa pohybuje od nanometrov po makroskopické. Proces mikro 3D tlače preto vyžaduje použitie mikrónových alebo submikrónových voxelov, čo je rozhodujúce pre výrobu mikro produktov. Pojem „mikro 3D tlač“ sa preto vzťahuje na výrobu veľmi presných, malých dielov, ktorých tvar nemožno dosiahnuť použitím procesu mikro vstrekovania a iných typov tradičných výrobných procesov.

Podľa 3D Science Valley existujú dve rôzne zamerania vo vývoji technológie 3D tlače, jedným z nich je veľkoformátová technológia 3D tlače. Ďalšie zameranie je na mikro aspekt, teda technológiu 3D tlače schopnú vyrábať presné a mikro zariadenia. Mikro nano 3D tlač môže produkovať zložité a jemné zariadenia, ktoré sú stelesnením výhod technológie 3D tlače, alebo prevráti priemysel výroby presných zariadení.

Malá sila mení svet! 3D Science Valley raz zdieľalo, že základná technológia spoločnosti Cytosurge pre 3D tlač na mikrónovej úrovni pochádza z ETH Zurich University of Technology. Na základe svojej patentovanej technológie FluidFM vyvíja, vyrába a predáva inovatívne vysoko presné nanotechnológie kovové 3D tlačiarne. Táto technológia predstavuje technológiu mikroskopie sily tekutiny a má mnoho aplikácií v biologických vedách a biofyzike.

V Číne budúca inteligentná 3D presná výrobná technológia s presnosťou na mikrónovej úrovni West Lake vyrovná trhovú medzeru stoviek nanometrov až stoviek mikrónov v presnom obrábaní v elektronických a optických poliach integráciou kovov, keramiky, magnetických materiálov, polymérov, atď.

Keď sa diel zmeria na hrúbku vrstvy 5 mikrónov a rozlíšenie 2 mikróny v jednociferných mikrometroch, spustí sa proces mikro 3D tlače. Je zaujímavé, že niektoré výrobné procesy mikroaditív môžu produkovať komponenty merané v nanometroch (nm), 1000-krát menšie ako mikrón. Aby si ľudia lepšie predstavili, aká je táto úroveň mikrovýroby, ľudia si napríklad zvyčajne pamätajú, že priemerná šírka ľudských vlasov je 75 mikrónov, zatiaľ čo priemer vlákien ľudskej DNA je 2,5 nanometra.

Pri miniaturizácii je rozhodujúca kontrola celkových rozmerov a mikro 3D tlač môže dosiahnuť „ďalšiu úroveň“ miniaturizácie. Konkrétne aplikácie, ako je elektronika, optika, polovodiče, lekárske zariadenia, lekárske nástroje, mikrovstrekovanie, mikrofluidika a senzory, sú oblasti, v ktorých hrá mikro 3D tlač jedinečnú úlohu.

Napríklad vysoko presná 3D biotlač môže byť použitá ako prispôsobené lešenie pre tkanivové inžinierstvo a bunkový výskum a je použiteľné pre mnoho ďalších inovatívnych biomedicínskych mikroprostredí, ktoré vyžadujú presnosť, rýchlosť, materiálovú rozmanitosť a sterilitu. 3D mikrospracovanie môže priblížiť výskum v oblasti prírodných vied konceptu regeneratívnej medicíny na liečbu chorôb v tejto oblasti. Napríklad vedci z Bostonskej univerzity vyvinuli mäkkú a mechanicky aktívnu platformu bunkovej kultúry prostredníctvom mikrofluidnej čipovej platformy vyrobenej dvojfotónovou polymerizáciou (2PP) na štúdium tkaniva myokardu v prispôsobiteľnom 3D mikroprostredí. Táto platforma bunkovej kultúry umožňuje srdcovému tkanivu rásť v 3D prostredí a môže pozorovať jeho samozostavenie v mieste pripojenia buniek na zvislej stene čipu. Integrovaný elektronický senzor meria silu generovanú kontrakciou kultivovaných srdcových buniek. Okrem toho výskumníci integrovali do čipu mechanický pohon. S týmto ovládačom vedci študovali účinky neustáleho a dynamického mechanického namáhania na srdcové tkanivo. Môžeme očakávať mnoho ďalších zaujímavých aplikácií mikro 3D tlače v tkanivovom inžinierstve, bunkovej biológii a regeneratívnej medicíne.

Integrovaná dvojfotónová litografia šedej stupnice (2GL) spoločnosti Quantum X a jej základná technológia ladenia voxelov môžu produkovať 2,5D mikroštruktúry s presnosťou submikrónového tvaru a drsnosťou povrchu menšou ako 5 nm (Ra).

NanoScribe

Všeobecne povedané, veríme, že 10 mikrónov a menej je výroba mikroaditív. Samozrejme, ak sú všetky tieto hodnoty v rozsahu 1-3 mikrónov, toto je najpresnejšia definícia mikro AM.

Rovnako ako niekoľko typov AM procesov, existujú aj rôzne typy mikro AM procesov, vrátane: tavného nanášania (FFD), priameho zapisovania atramentom (DIW), priameho nanášania energie (DED), výroby laminovaných predmetov (LOM), elektrohydrodynamickej redoxnej tlače ( EHDP), tavenie práškového lôžka (PBF), 3D tlač založená na fotopolymerizácii (P3DP) a laserová chemická depozícia z pár (LCVD).

Technológia mikro 3D tlače

Biela kniha 3D Science Valley

Proces mikro 3D tlače na báze živice je v súčasnosti najuznávanejším procesom na trhu vďaka svojim výhodám v rozlíšení, kvalite, reprodukovateľnosti a rýchlosti. Navyše DED a EHDP môžu dosiahnuť vyššie rozlíšenie. Avšak vysoké náklady a nízka rýchlosť výroby spojené s týmito procesmi obmedzujú ich použitie. Kvôli ich obmedzenému rozlíšeniu však stále majú obmedzenia pri realizácii malých vysoko presných častí alebo štruktúr.

V porovnaní s týmito metódami môže Nanoscribe 2PP produkovať minimálnu veľkosť prvku len 100 nm. Podľa výskumu vývoj nových optických metód viedol k pokroku v procese výroby mikroaditív, najmä procesu 3D tlače založenom na fotopolymerizácii. Podľa odborníkov je možné pomocou svetelných zdrojov s kratšími vlnovými dĺžkami (ako sú UV lúče) a objektívov s vyššou NA (numerickou apertúrou) dosiahnuť vyššie rozlíšenie – čo je zvyčajne jedna z najvýznamnejších výziev v mikro AM.

V porovnaní s inými metódami založenými na tepelnom spracovaní a laminácii, optická metóda zosilňuje spojenie susedných voxelov. Kroky po spracovaní, ako je UV vytvrdzovanie, tiež pomáhajú zlepšiť kvalitu komponentov 3D tlače. Nakoniec sa v správe uvádza, že vďaka bezkontaktnému spôsobu medzi oblasťou spracovania a osvetľovacím systémom môže laserový bod alebo optický vzor spracovaných surovín pomôcť zlepšiť stabilitu a opakovateľnosť.

Medzi najznámejšie výrobné procesy mikroaditív patrí DLP a mikro stereo litografia (μ SLA), projekčná mikro stereo litografia (P μ SL), dvojfotónová polymerizácia (2PP alebo TPP), výroba kovov na báze litografie ( LMM), elektrochemické nanášanie a selektívne laserové spekanie na mikroúrovni (μ SLS).

Technológia priamej svetelnej projekcie (DLP).

Technológia DLP môže dosiahnuť opakovateľné mikrónové rozlíšenie kombináciou DLP s použitím adaptívnej optiky. Jedným z hlavných rozdielov medzi SLA a SLA, ktorý sa zvyčajne nazýva veľmi podobný, je to, že SLA potrebuje použiť laser na sledovanie jednej vrstvy, zatiaľ čo DLP používa zdroj projekčného svetla na stuhnutie celej vrstvy naraz.

Mikro stereolitografia (μ SLA)

Mikro stereo litografia (MPuSLA), založená na fotoindukovanom vrstvení vrstiev, sa tiež používa na vytváranie fyzických komponentov vystavením fotocitlivej polymérnej živice ultrafialovému laseru.

Projekčná mikro stereo litografia (P μ SL)

P μ SL je fotopolymerizácia s vysokým rozlíšením (až do 0.6) spustená plošnou projekciou μ m) Technológia 3D tlače môže produkovať zložité 3D architektúry pokrývajúce viacero mierok a materiálov. Stroje založené na tomto procese sa všeobecne považujú za stroje, ktoré kombinujú výhody technológií DLP a SLA. Vďaka cenovej dostupnosti, presnosti, rýchlosti a schopnosti spracovávať polyméry, biomateriály a keramiku sa tento proces rýchlo rozvinul.

Kovovýroba založená na fotolitografii

Po rovnomernej disperzii vo fotosenzitívnej živici sa potom kovový prášok selektívne polymerizuje vystavením modrému svetlu. 3D vytlačené zelené časti sa potom spekajú v peci, aby sa získali husté časti.

Dvojfotónová polymerizácia (2PP alebo TPP)

Tento proces je všeobecne považovaný za najpresnejší z mikro 3D tlačiarní. 2PP je priama laserová metóda písania, ktorá môže pracovať na 3D a 2,5D mikroštruktúrach bez drahého generovania masky a viacnásobnej litografie. Dá sa povedať, že 2PP naplno rozohral svoj potenciál medzi bezmaskovou litografiou a vysoko presnou aditívnou výrobou.

Podľa chápania trhu 3D Science Valley spoločnosť 2PP propagovala mikrovýrobu dielov na plošných substrátoch na úrovni plátkov, napríklad v aplikačných oblastiach optických vlákien, fotonických čipov a mikrofluidných kanálov s vnútornými tesneniami.

2PP vyžaduje špeciálnu fotocitlivú živicu na uľahčenie spracovania, dosiahnutie optimálneho rozlíšenia a presnosti tvaru a prispôsobenie pre rôzne aplikácie. V súčasnosti je vysoko presná 3D tlač založená na dvojfotónovej polymerizácii veľmi vhodná na rýchle prototypovanie aplikačného dizajnu, ako sú biomedicínske zariadenia, mikro optika, MEMS, mikrofluidné zariadenia, fotonické obaly (ako PIC), projekty povrchového inžinierstva atď. Možnosti spracovania plátkov uľahčujú dávkové spracovanie a malosériovú výrobu 3D mikrodielov ako kedykoľvek predtým.

Elektrochemická depozícia

Elektrochemické nanášanie je vzácna technológia mikro 3D tlače bez akéhokoľvek dodatočného spracovania. Tento proces využíva malú tlačovú trysku nazývanú iónový hrot a ponorí ju do podporného elektrolytického kúpeľa. Regulovaný tlak vzduchu tlačí kvapalinu obsahujúcu kovové ióny cez mikro kanál v iónovej špičke. Na konci mikrokanála sa kvapalina obsahujúca ióny uvoľní na tlačovú plochu. Rozpustené kovové ióny sa potom elektrolyticky ukladajú do pevných atómov kovu. Ten potom rastie do väčších stavebných blokov (voxelov), až kým sa nevytvorí časť.

Mikroškálové selektívne laserové spekanie (μ SLS)

Táto aditívna výroba založená na fúzii práškového lôžka, tiež známa ako selektívne laserové spekanie na mikrónovej úrovni (SLS), zahŕňa nanesenie vrstvy atramentu s kovovými nanočasticami na substrát a následné vysušenie, aby sa vytvorila rovnomerná vrstva nanočastíc. Laser potom spekal nanočastice do požadovaného vzoru. Potom postup opakujte, kým sa časť nevytvorí.

Fascinujúce malé časti

S pokrokom nových technológií spracovania, ako je dvojfotónová litografia v odtieňoch šedej (2GL) a kombinácia výkonnejších laserov a vylepšeného hardvéru (ako je stolík a skener), sa status quo výroby mikroaditív zmenil. Na rozdiel od toho iné tradičnejšie technológie aditívnej výroby, ako sú DLP, SLA a projekčná mikro stereo litografia (P μ SL), môžu vyrábať iba väčšie štruktúry, pokiaľ však ide o vysoké rozlíšenie (<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="">

Podľa pozorovania trhu 3D Science Valley, Nanoscribe poskytuje nové priemyselné riešenie pre balenie fotónov s nedávno predstaveným Quantum X align. Strata väzby je znížená prispôsobením poľa režimu na úrovni komponentov a nie na úrovni čipu. Vysoko presná 3D tlač s nano precíznym automatickým zarovnávaním podporuje priamu výrobu mikrooptických prvkov na fotonických čipoch a jadrách vlákien a priamu tlač voľných mikrooptických prvkov alebo difrakčných optických prvkov (DOE) na vhodných miestach, čím podporuje optimálne optické prvky. spojenie na fotonických platformách.

Vlastná dvojfotónová litografia šedej stupnice (2GL) spoločnosti Nanoscribe výrazne urýchľuje vysoko presné mikroobrábanie 2,5D štruktúr pre optické aplikácie, ako je najvyššia presnosť tvaru a povrchy s optickou kvalitou (Ra menšie alebo rovné 5 nm). S cieľom ďalej rozšíriť rozsah výroby Nanoscribe vyskúšal dve spoľahlivé a osvedčené stratégie replikácie s EV Group a kdg opticom.

Ako každý proces 3D tlače, aj mikro 3D tlač umožňuje svojim používateľom ťažiť zo slobody dizajnu. Jednou z výziev v oblasti fotonickej integrácie, optických výpočtov a dátovej komunikácie je podpora zarovnania a balenia fotonických komponentov. Špeciálne riešenia 3D tlače založené na hardvéri a softvéri môžu dosiahnuť efektívne spojenie pri nízkej úrovni osvetlenia.

V porovnaní s rovnakými dielmi vyrábanými tradičným výrobným procesom je rýchlosť výroby malého dielu fascinujúca. S vývojom miniaturizovaných mikro produktov je mikro 3D tlač použiteľná vo všetkých odvetviach, ktoré sa zaoberajú malými a presnými dielmi. Tradične boli náklady na výrobu malých dielov vysoké, zatiaľ čo výroba mikroaditív teraz poskytuje lacnejšie a jednoduchšie použiteľné riešenia.

Vedieť je hlboké, ale konať je ďaleko. 3D Science Valley, založené na globálnej sieti expertných think-tankov spracovateľského priemyslu, poskytuje odvetviu hĺbkové sledovanie aditívnych materiálov a inteligentnej výroby z globálnej perspektívy. Ak chcete získať ďalšiu analýzu aditívnej výroby, venujte pozornosť sérii bielych kníh vydanej spoločnosťou 3D Science Valley.