Ülevaade mikro-3D-printimisest – ainulaadne ülevaade lisaainete tootmistehnoloogiast

Üldiselt on enamik uuendusi töötlevas tööstuses välja töötatud suutlikkuse ümber toota suuri 3D-prinditud osi. Kuna aga nõudlus miniatuursete seadmete järele elektroonika, biotehnoloogia, autode ja kosmosetööstuses kasvab, on inimesed üha enam huvitatud mikrolisandite tootmistehnoloogiast. Niisiis, kui suur on väikeste osade turg? Selles numbris saavad Nanoscribe’i äriarendusjuhi JRg Smolenski analüüsi põhjal kokku 3D Science Valley ja Guyou, et mõista mikrolisandite valmistamise tehnoloogia põhiprintsiipe ja erinevaid tüüpe ning mikrolisandite valmistamise peamisi eeliseid. tehnoloogia, mis võib aidata turul edasi liikuda ja valdkonnad, mis vajavad parandamist.

Mikro 3D printimise tehnoloogia

NanoScribe

Pisikese maailma asendamatu

Terminit mikrolisandite tootmine kasutatakse tavaliselt vaheldumisi 3D-mikrotöötluse või ülitäpse lisandite valmistamisega, kuid tegelikult pole need täpsed sünonüümid. Üldiselt viitab lisandite tootmine rohkem tööstuslikule tootmiskeskkonnale ja 3D-mikrotöötlus on üldine termin, mis kirjeldab kõiki meetodeid, näiteks fotolitograafia meetodit, mis on väga populaarne ja MEMS-i tootmises laialdaselt kasutatav (see on tohutu küps turg ja meetod on väga küps). On palju teisi 3D-mikrotöötlusmeetodeid, näiteks meetodid mikrofluidika jaoks, digitaalsed meetodid, mis põhinevad elektronkiire litograafial jne.

Mikrolisandite valmistamise tehnoloogia olukorra illustreerimiseks eeldatakse, et 3D-printimisel konstrueeritakse esmalt osa ja kirjeldatakse seda digitaalselt läbi punktimassiivi, kus punkt (voksel) tähistab minimaalset trükiühikut. Vokslite suurus varieerub nanomeetrist makroskoopiliseni. Seetõttu nõuab mikro-3D-printimise protsess mikro- või submikroniliste vokslite kasutamist, mis on mikrotoodete valmistamisel ülioluline. Seetõttu viitab termin "mikro-3D-printimine" ülikõrge täpsusega pisikeste detailide valmistamisele, mille kuju ei ole võimalik saavutada mikro-survevaluprotsessi ja muud tüüpi traditsiooniliste tootmisprotsesside abil.

3D Science Valley andmetel on 3D-printimise tehnoloogia arendamisel kaks erinevat fookust, millest üks on suureformaadiline 3D-printimise tehnoloogia. Teine fookus on mikroaspektil, st 3D-printimise tehnoloogial, mis on võimeline tootma täppis- ja mikroseadmeid. Mikro-nano 3D-printimine võib toota keerulisi ja peeneid seadmeid, mis on 3D-printimise tehnoloogia eeliste kehastus või lükkab ümber täppisseadmete tootmise tööstuse.

Väike jõud muudab maailma! 3D Science Valley jagas kunagi, et mikronitasemel 3D-printimise ettevõtte Cytosurge põhitehnoloogia pärineb ETH Zürichi tehnikaülikoolist. Patenteeritud FluidFM-tehnoloogial põhinev ettevõte arendab, toodab ja müüb uuenduslikke ülitäpseid nanotehnoloogilisi metallist 3D-printereid. See tehnoloogia esindab vedeliku jõu mikroskoopia tehnoloogiat ja sellel on palju rakendusi bioteadustes ja biofüüsikas.

Hiinas katab West Lake'i mikronitaseme täpsusega nutikas 3D-täppistootmistehnoloogia turuvahe sadade nanomeetrite kuni sadade mikronite ulatuses elektrooniliste ja optiliste väljade täppistöötluses, integreerides metalli, keraamikat, magnetmaterjale, polümeere, jne.

Kui detaili kihi paksus on 5 mikronit ja eraldusvõime 2 mikronit ühekohalistes mikromeetrites, käivitatakse mikro-3D-printimise protsess. Huvitav on see, et mõned mikrolisandite tootmisprotsessid võivad toota nanomeetrites (nm) mõõdetavaid komponente, mis on 1000 korda väiksemad kui mikronid. Selleks, et paremini visualiseerida, milline see mikrotootmise tase on näiteks, mäletatakse tavaliselt, et inimese juuste keskmine laius on 75 mikronit, inimese DNA ahelate läbimõõt aga 2,5 nanomeetrit.

Miniaturiseerimisel on üldmõõtmete juhtimine ülioluline ja mikro-3D-printimine võib saavutada miniaturiseerimise "järgmise taseme". Täpsemalt on sellised rakendused nagu elektroonika, optika, pooljuhid, meditsiiniseadmed, meditsiinitööriistad, mikropritsevalu, mikrofluidika ja andurid need valdkonnad, kus mikro-3D-printimisel on ainulaadne roll.

Näiteks ülitäpset 3D-bioprintimist saab kasutada kohandatud karkassina koetehnoloogia ja rakuuuringute jaoks ning see on rakendatav paljudes teistes uuenduslikes biomeditsiinilistes mikrokeskkondades, mis nõuavad täpsust, kiirust, materjalide mitmekesisust ja steriilsust. 3D-mikrotöötlus võib muuta bioteaduslikud uuringud selle valdkonna haiguste ravimiseks lähedasemaks regeneratiivse meditsiini kontseptsioonile. Näiteks Bostoni ülikooli teadlased on kahe fotoni polümerisatsiooni (2PP) abil toodetud mikrofluidkiibi platvormi kaudu välja töötanud pehme ja mehaaniliselt aktiivse rakukultuuri platvormi, et uurida müokardi kudesid kohandatavas 3D-mikrokeskkonnas. See rakukultuuri platvorm võimaldab südamekoel kasvada 3D-keskkonnas ja saab jälgida selle isekoosnemist raku kinnituskohas kiibi vertikaalsel seinal. Integreeritud elektrooniline andur mõõdab kultiveeritud südamerakkude kokkutõmbumisel tekkivat jõudu. Lisaks on teadlased integreerinud kiibile mehaanilise täiturmehhanismi. Selle ajamiga on teadlased uurinud pideva ja dünaamilise mehaanilise koormuse mõju südamekoele. Oodata on palju muid põnevaid mikro-3D-printimise rakendusi koetehnoloogias, rakubioloogias ja regeneratiivmeditsiinis.

Quantum X integreeritud kahe fotoni hallskaala litograafia (2GL) ja selle põhiline vokslite häälestamise tehnoloogia suudavad toota 2,5D mikrostruktuure submikronilise kuju täpsusega ja alla 5 nm (Ra) pinnakaredusega.

NanoScribe

Üldiselt usume, et 10 mikronit ja alla selle on mikrolisandite tootmine. Muidugi, kui kõik need on vahemikus 1-3 mikronit, on see mikro-AM-i kõige täpsem määratlus.

Nagu mitut tüüpi AM-protsessid, on ka erinevat tüüpi mikro-AM-protsesse, sealhulgas: kaitsme sadestamine (FFD), otsene tindi kirjutamine (DIW), otsene energiasadestamine (DED), lamineeritud objektide tootmine (LOM), elektrohüdrodünaamiline redoksprintimine ( EHDP), pulbersulatus (PBF), fotopolümerisatsioonil põhinev 3D-printimine (P3DP) ja laserkeemiline aurustamine-sadestamine (LCVD).

Mikro 3D printimise tehnoloogia

3D Science Valley valge raamat

Vaigupõhine mikro-3D-printimise protsess on praegu turul kõige tuntum protsess tänu oma eelistele eraldusvõime, kvaliteedi, reprodutseeritavuse ja kiiruse osas. Lisaks suudavad DED ja EHDP saavutada kõrgema eraldusvõime. Nende protsessidega seotud kõrge hind ja madal tootmismäär piiravad aga nende kasutamist. Piiratud eraldusvõime tõttu on neil siiski piiranguid väikeste ülitäpsete osade või struktuuride realiseerimisel.

Võrreldes nende meetoditega võib Nanoscribe'i 2PP toota minimaalse funktsiooni suuruse kuni 100 nm. Uuringute kohaselt on uute optiliste meetodite väljatöötamine viinud mikrolisandite tootmisprotsessi, eriti fotopolümerisatsioonil põhineva 3D-printimise protsessi edenemiseni. Ekspertide sõnul võib lühema lainepikkusega valgusallikate (nt UV-kiired) ja suurema NA-ga (arvulise avaga) objektiivide kasutamine saavutada suurema eraldusvõime – mis on tavaliselt üks silmapaistvamaid väljakutseid mikro-AM-i puhul.

Võrreldes teiste kuumtöötlusel ja lamineerimisel põhinevate meetoditega muudab optiline meetod külgnevate vokslite ühenduse tugevamaks. Järeltöötlusetapid, nagu UV-kõvastumine, aitavad samuti parandada 3D-printimise komponentide kvaliteeti. Lõpuks märgitakse aruandes, et töötlemisala ja valgustussüsteemi vahelise kontaktivaba tee tõttu võib töödeldud tooraine laserpunkt või optiline muster aidata parandada stabiilsust ja korratavust.

Kõige tuntumate mikrolisandite tootmisprotsesside hulka kuuluvad DLP ja mikrostereo litograafia (μ SLA), projektsioon mikrostereo litograafia (P μ SL), kahe fotoni polümerisatsioon (2PP või TPP), litograafial põhinev metalli tootmine ( LMM), elektrokeemiline sadestamine ja mikroskaala selektiivne laserpaagutamine (μ SLS).

Otsese valguse projektsiooni (DLP) tehnoloogia

DLP-tehnoloogia võib saavutada korratava mikroni eraldusvõime, kombineerides DLP-d adaptiivse optika kasutamisega. Üks peamisi erinevusi SLA ja SLA vahel, mida tavaliselt nimetatakse väga sarnaseks, on see, et SLA peab ühe kihi jälgimiseks kasutama laserit, samas kui DLP kasutab projektsioonvalgusallikat kogu kihi korraga tahkestamiseks.

Mikrostereolitograafia (μ SLA)

Mikrostereo litograafiat (MPuSLA) kasutatakse ka fotoindutseeritud kihtide virnastamise põhjal füüsikaliste komponentide ehitamiseks, eksponeerides valgustundlikku polümeervaiku ultraviolettlaseriga.

Projektsioon mikrostereo litograafia (P μ SL)

P μ SL on kõrge eraldusvõimega (kuni 0.6) fotopolümerisatsioon, mille käivitab pindalaprojektsioon μ m) 3D-printimise tehnoloogia võib toota keerulisi 3D-arhitektuure, mis katavad mitut skaalat ja materjale. Üldiselt arvatakse, et sellel protsessil põhinevad masinad ühendavad DLP ja SLA tehnoloogiate eelised. Tänu oma taskukohasusele, täpsusele, kiirusele ja polümeeride, biomaterjalide ja keraamika töötlemise võimele on protsess kiiresti arenenud.

Fotolitograafial põhinev metalli tootmine

Pärast ühtlast hajumist valgustundlikus vaigus polümeriseeritakse metallipulber selektiivselt sinise valgusega. 3D-prinditud rohelised osad paagutatakse seejärel ahjus tihedate osade saamiseks.

Kahe footoni polümerisatsioon (2PP või TPP)

Seda protsessi peetakse üldiselt mikro-3D-printeritest kõige täpsemaks. 2PP on otsene laserkirjutusmeetod, mis võib töötada 3D ja 2,5D mikrostruktuuridel ilma kalli maski genereerimise ja mitme litograafiata. Võib öelda, et 2PP on kasutanud oma potentsiaali maskideta litograafia ja ülitäpse lisandite valmistamise vahel.

3D Science Valley turuarusaama kohaselt on 2PP edendanud osade mikrotootmist vahvlitasandil tasapinnalistel aluspindadel, näiteks optiliste kiudude, fotoonkiipide ja sisemiste tihenditega mikrofluidikanalate rakendusvaldkondades.

2PP vajab spetsiaalset valgustundlikku vaiku, et hõlbustada töötlemist, saavutada optimaalne eraldusvõime ja kuju täpsus ning olla kohandatud erinevate rakenduste jaoks. Praegu sobib kahe fotoni polümerisatsioonil põhinev ülitäpne 3D-printimine väga hästi rakendusdisaini kiireks prototüüpimiseks, nagu biomeditsiinilised seadmed, mikrooptika, MEMS, mikrofluidiseadmed, fotoonpakendid (nt PIC), pinnatehnilised projektid jne. Vahvlite töötlemise võimalused muudavad 3D-mikroosade partiitöötluse ja väikeste partiide tootmise lihtsamaks kui kunagi varem.

Elektrokeemiline sadestamine

Elektrokeemiline sadestamine on haruldane mikro-3D-printimise tehnoloogia ilma järeltöötluseta. Selle protsessi käigus kasutatakse väikese trükiga düüsi, mida nimetatakse ioonotsaks, ja kastetakse see toetavasse elektrolüüdivanni. Reguleeritud õhurõhk surub metalliioone sisaldava vedeliku läbi iooniotsas oleva mikrokanali. Mikrokanali lõpus vabaneb ioone sisaldav vedelik trükipinnale. Seejärel sadestatakse lahustunud metalliioonid tahketeks metalliaatomiteks. Viimane kasvab seejärel suuremateks ehitusplokkideks (voksliteks), kuni osa moodustub.

Mikroskaala selektiivne laserpaagutamine (μ SLS)

See pulberkihi sulatamisel põhinev lisaainete tootmine, mida tuntakse ka kui mikronitasemel selektiivset laserpaagutamist (SLS), hõlmab metalli nanoosakeste tindikihi katmist substraadile ja seejärel kuivatamist, et tekitada ühtlane nanoosakeste kiht. Seejärel paagutas laser nanoosakesed soovitud mustriks. Seejärel korrake protsessi, kuni osa on loodud.

Põnevad väikesed osad

Uute töötlemistehnoloogiate, nagu kahe fotoni hallskaala litograafia (2GL) ning suurema võimsusega laserite ja täiustatud riistvara (nagu lava ja skanner) kombinatsioon, on mikrolisandite tootmise status quo muutunud. Seevastu teised traditsioonilisemad lisandite tootmistehnoloogiad, nagu DLP, SLA ja projektsioon-mikrostereo litograafia (P μ SL), suudavad toota ainult suuremaid struktuure, kuid kui tegemist on suure eraldusvõimega (<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="">

3D Science Valley turuvaatluse kohaselt pakub Nanoscribe uudset tööstuslikku lahendust fotonipakendamiseks hiljuti turule tulnud Quantum X joondusega. Ühenduskadu vähendatakse režiimivälja sobitamise kaudu komponendi tasemel, mitte kiibi tasemel. Kõrge täpsusega 3D-printimine koos nanotäpse automaatse joondamisega soodustab mikrooptiliste elementide otsest valmistamist fotoonkiipidele ja kiudsüdamikele ning vabakujuliste mikrooptiliste elementide või difraktsiooniliste optiliste elementide (DOE) otseprintimist sobivatesse kohtadesse, soodustades seega optimaalset optilist sidestamine fotoonilistel platvormidel.

Nanoscribe'i patenteeritud kahe fotoni hallskaala litograafia (2GL) kiirendab märkimisväärselt 2,5D-struktuuride ülitäpset mikrotöötlust optiliste rakenduste jaoks, nagu suurim kuju täpsus ja optilise kvaliteediga pinnad (Ra vähem kui 5 nm). Tootmismastaabi edasiseks laiendamiseks on Nanoscribe proovinud EV Groupi ja kdg opticomiga kahte usaldusväärset ja end tõestanud replikatsioonistrateegiat.

Nagu iga 3D-printimise protsess, võimaldab ka mikro-3D-printimine selle kasutajatel disainivabadust kasu saada. Fotoonilise integratsiooni, optilise andmetöötluse ja andmeside valdkonna üheks väljakutseks on fotooniliste komponentide joondamise ja pakendamise edendamine. Spetsiaalsed 3D-printimise lahendused, mis põhinevad riist- ja tarkvaral, võivad saavutada tõhusa vähese valguse taseme sidumise.

Võrreldes traditsioonilise tootmisprotsessiga valmistatud samade osadega, on väikese detaili valmistamise kiirus põnev. Miniatuursete mikrotoodete väljatöötamisega on mikro-3D-printimine rakendatav kõigis väikeste ja täppisosadega tegelevates tööstusharudes. Traditsiooniliselt on väikeste osade valmistamise kulud olnud kõrged, samas kui mikrolisandite tootmine pakub nüüd odavamaid ja hõlpsamini kasutatavaid lahendusi.

Teadmine on sügav, kuid tegemine on kaugel. Tootmistööstuse ülemaailmsel ekspertide mõttekodade võrgustikul põhinev 3D Science Valley pakub tööstusele lisamaterjalide ja intelligentse tootmise põhjalikku vaatlust globaalsest vaatenurgast. Lisandite tootmise kohta lisateabe saamiseks pöörake tähelepanu 3D Science Valley välja antud valgele paberisarjale.