Погляд на мікро3D-друк - Унікальний погляд на технологію адитивного виробництва

Загалом, більшість інновацій у обробній промисловості розроблено навколо можливості виробляти великі 3D-друковані деталі. Однак із зростанням попиту на мініатюрне обладнання в галузях електроніки, біотехнологій, автомобільної та аерокосмічної промисловості люди все більше цікавляться технологіями виробництва мікродобавок. Отже, наскільки великий ринок дрібних деталей? У цьому випуску на основі аналізу JRg Smolenski, менеджера з розвитку бізнесу Nanoscribe, 3D Science Valley і Guyou збираються разом, щоб зрозуміти основні принципи та різні типи технологій виробництва мікродобавок, а також основні переваги виробництва мікродобавок. технологія, яка може допомогти ринку рухатися вперед, і сфери, які потрібно вдосконалити.

Технологія мікро 3D друку

NanoScribe

Незамінне в крихітному світі

Термін «мікроадитивне виробництво» зазвичай використовується як синоніми з 3D мікрообробкою або високоточним адитивним виробництвом, але насправді вони не є точними синонімами. Як правило, адитивне виробництво більше стосується середовища промислового виробництва, а 3D-мікрообробка є загальним терміном, що описує всі методи, наприклад метод фотолітографії, який дуже популярний і широко використовується у виробництві MEMS (це величезний зрілий ринок, і метод дуже зрілий). Існує багато інших методів 3D мікрообробки, таких як методи мікрофлюїдики, цифрові методи на основі електронно-променевої літографії тощо.

Щоб проілюструвати статус технології виробництва мікродобавок, передбачається, що при 3D-друкі деталь спочатку створюється та цифрово описується через масив точок, де точка (воксель) представляє мінімальну одиницю друку. Розмір вокселя коливається від нанометра до макроскопічного. Таким чином, процес мікро-3D-друку вимагає використання мікронних або субмікронних вокселів, що має вирішальне значення для виробництва мікропродуктів. Таким чином, термін «мікро-3D-друк» стосується виготовлення надвисокоточних крихітних деталей, форму яких неможливо отримати за допомогою процесу мікролиття під тиском та інших типів традиційних виробничих процесів.

За даними 3D Science Valley, у розробці технології 3D-друку є два напрямки, один з яких — технологія 3D-друку великого формату. Інша увага приділяється мікроаспекту, тобто технології 3D-друку, яка дозволяє виготовляти прецизійні та мікропристрої. Мікронано 3D-друк може виробляти складні та тонкі пристрої, що є втіленням переваг технології 3D-друку, або переверне індустрію виробництва точних пристроїв.

Мала сила змінює світ! 3D Science Valley одного разу поділився, що основна технологія мікронної компанії 3D-друку Cytosurge походить від Технологічного університету ETH Цюріха. На основі запатентованої технології FluidFM компанія розробляє, виробляє та продає інноваційні високоточні металеві 3D-принтери з нанотехнологіями. Ця технологія представляє технологію рідинної мікроскопії та має багато застосувань у науках про життя та біофізиці.

У Китаї майбутня інтелектуальна 3D-технологія точного виробництва з мікронною точністю West Lake заповнить ринковий розрив від сотень нанометрів до сотень мікрон у прецизійній обробці в електронному та оптичному полях шляхом інтеграції металу, кераміки, магнітних матеріалів, полімерів, тощо

Коли товщина шару деталі становить 5 мікрон і роздільна здатність 2 мікрони в однозначних мікрометрах, починається процес мікро-3D-друку. Цікаво, що деякі процеси виробництва мікродобавок можуть виробляти компоненти, виміряні в нанометрах (нм), у 1000 разів менші за мікрон. Наприклад, щоб краще уявити, що таке цей рівень мікровиробництва, люди зазвичай пам’ятають, що середня ширина людського волосся становить 75 мікрон, тоді як діаметр ланцюгів ДНК людини становить 2,5 нанометра.

У мініатюризації контроль загальних розмірів є вирішальним, і мікро3D-друк може досягти «наступного рівня» мініатюризації. Зокрема, такі сфери застосування, як електроніка, оптика, напівпровідники, медичні прилади, медичні інструменти, мікролиття під тиском, мікрофлюїдика та сенсори, є сферами, де мікро3D-друк відіграє унікальну роль.

Наприклад, високоточний 3D-біодрук можна використовувати як спеціалізований каркас для тканинної інженерії та клітинних досліджень, і він застосовний до багатьох інших інноваційних біомедичних мікросередовищ, які вимагають точності, швидкості, різноманітності матеріалів і стерильності. 3D-мікрообробка може наблизити наукові дослідження про життя до концепції регенеративної медицини для лікування захворювань у цій галузі. Наприклад, вчені з Бостонського університету розробили м’яку та механічно активну платформу клітинної культури за допомогою платформи мікрофлюїдного чіпа, виготовленого методом двофотонної полімеризації (2PP), для дослідження тканини міокарда в настроюваному 3D-мікросередовищі. Ця платформа клітинної культури дозволяє тканині серця рости в 3D-середовищі та може спостерігати її самозбірку в місці прикріплення клітини на вертикальній стінці чіпа. Інтегрований електронний датчик вимірює силу, що виникає внаслідок скорочення культивованих клітин серця. Крім того, дослідники інтегрували в чіп механічний привід. За допомогою цього приводу вчені досліджували вплив постійного та динамічного механічного навантаження на тканини серця. Ми можемо очікувати багато інших захоплюючих застосувань мікро3D-друку в тканинній інженерії, клітинній біології та регенеративній медицині.

Інтегрована двофотонна літографія в градаціях сірого (2GL) Quantum X і її базова технологія налаштування вокселів можуть створювати 2,5D мікроструктури з субмікронною точністю форми та шорсткістю поверхні менше 5 нм (Ra).

NanoScribe

Взагалі кажучи, ми вважаємо, що 10 мікрон і нижче є виробництвом мікродобавок. Звичайно, якщо всі вони знаходяться в діапазоні 1-3 мікрон, це найточніше визначення мікро AM.

Подібно до кількох типів процесів AM, існують також різні типи мікропроцесів AM, зокрема: осадження плавким заплавом (FFD), пряме написання чорнилом (DIW), пряме осадження енергії (DED), виготовлення ламінованих об’єктів (LOM), електрогідродинамічний окисно-відновний друк ( EHDP), плавлення шару порошку (PBF), 3D-друк на основі фотополімеризації (P3DP) і лазерне хімічне осадження з парової фази (LCVD).

Технологія мікро 3D друку

Біла книга 3D Science Valley

Процес мікро3D-друку на основі смоли наразі є найбільш визнаним процесом на ринку завдяки його перевагам у роздільній здатності, якості, відтворюваності та швидкості. Крім того, DED і EHDP можуть досягти більш високої роздільної здатності. Однак висока вартість і низька швидкість виробництва, пов'язані з цими процесами, обмежують їх застосування. Однак через їх обмежену роздільну здатність вони все ще мають обмеження у реалізації невеликих високоточних деталей або структур.

У порівнянні з цими методами, 2PP від ​​Nanoscribe може створювати мінімальний розмір елемента лише 100 нм. Згідно з дослідженнями, розробка нових оптичних методів призвела до прогресу процесу виробництва мікродобавок, особливо процесу 3D-друку на основі фотополімеризації. На думку експертів, використання джерел світла з меншою довжиною хвилі (наприклад, ультрафіолетових променів) і лінз об’єктивів з вищою NA (числовою апертурою) може досягти вищої роздільної здатності, що зазвичай є однією з найпоширеніших проблем у micro AM.

У порівнянні з іншими методами, заснованими на термічній обробці та ламінуванні, оптичний метод робить з’єднання сусідніх вокселів міцнішим. Етапи постобробки, такі як УФ-затвердіння, також допомагають покращити якість компонентів 3D-друку. Нарешті, у звіті зазначено, що завдяки безконтактному шляху між зоною обробки та системою освітлення, лазерна пляма або оптичний малюнок обробленої сировини може допомогти покращити стабільність і повторюваність.

Зважаючи на це, найвідоміші процеси виробництва мікродобавок включають DLP та мікростереолітографію (μ SLA), проекційну мікростереолітографію (P μ SL), двофотонну полімеризацію (2PP або TPP), виробництво металу на основі літографії ( LMM), електрохімічне осадження та мікромасштабне селективне лазерне спікання (μ SLS).

Технологія прямої проекції світла (DLP).

Технологія DLP дозволяє досягти повторюваної мікронної роздільної здатності шляхом поєднання DLP із використанням адаптивної оптики. Однією з головних відмінностей між SLA та SLA, які зазвичай називають дуже схожими, є те, що SLA потребує використання лазера для відстеження одного шару, тоді як DLP використовує проекційне джерело світла для затвердіння всього шару одночасно.

Мікростереолітографія (μ SLA)

Мікростереолітографія (MPuSLA) також заснована на фотоіндукованому накопиченні шарів і використовується для створення фізичних компонентів шляхом впливу ультрафіолетового лазера на світлочутливу полімерну смолу.

Проекційна мікростерео літографія (P μ SL)

P μ SL – це фотополімеризація з високою роздільною здатністю (до 0.6), яка запускається проекцією площі μ м) Технологія 3D-друку може створювати складні 3D-архітектури, що охоплюють різні масштаби та матеріали. Вважається, що машини, засновані на цьому процесі, поєднують переваги технологій DLP і SLA. Завдяки доступності, точності, швидкості та здатності обробляти полімери, біоматеріали та кераміку цей процес швидко розвивався.

Виготовлення металу на основі фотолітографії

Після рівномірної дисперсії у фоточутливій смолі металевий порошок вибірково полімеризується під впливом синього світла. Потім 3D-друковані зелені деталі спікаються в печі для отримання щільних деталей.

Двофотонна полімеризація (2PP або TPP)

Цей процес зазвичай вважається найточнішим серед мікро3D-принтерів. 2PP — це прямий лазерний метод запису, який може працювати на 3D та 2,5D мікроструктурах без дорогої генерації маски та багаторазової літографії. Можна сказати, що 2PP повністю використав свій потенціал між безмасковою літографією та високоточним адитивним виробництвом.

Згідно з розумінням ринку 3D Science Valley, 2PP просуває мікровиробництво деталей на плоских підкладках на рівні пластин, наприклад, у сферах застосування оптичних волокон, фотонних чіпів і мікрофлюїдних каналів із внутрішніми ущільненнями.

Для 2PP потрібна спеціальна фоточутлива смола для полегшення обробки, досягнення оптимальної роздільної здатності та точності форми, а також адаптації для різних застосувань. В даний час високоточний 3D-друк на основі двофотонної полімеризації дуже підходить для швидкого створення прототипів дизайну додатків, таких як біомедичне обладнання, мікрооптика, MEMS, мікрофлюїдне обладнання, фотонне пакування (наприклад, PIC), проекти поверхневої інженерії тощо. Можливості обробки пластин роблять серійну обробку та дрібносерійне виробництво тривимірних мікродеталей легшими, ніж будь-коли раніше.

Електрохімічне осадження

Електрохімічне осадження — це рідкісна технологія мікро3D-друку без будь-якої постобробки. У цьому процесі використовується маленьке сопло для друку, яке називається іонним наконечником, і занурює його в допоміжну електролітну ванну. Регульований тиск повітря проштовхує рідину, що містить іони металу, через мікроканал в іонному наконечнику. У кінці мікроканалу рідина, що містить іони, виділяється на поверхню друку. Розчинені іони металу потім електроосаджуються в атоми твердого металу. Останній потім зростає у більші будівельні блоки (вокселі), поки не буде сформована частина.

Мікромасштабне вибіркове лазерне спікання (μ SLS)

Це адитивне виробництво, засноване на плавленні шару порошку, також відоме як селективне лазерне спікання на мікронному рівні (SLS), передбачає нанесення шару чорнила металевих наночастинок на підкладку, а потім його висушування для створення однорідного шару наночастинок. Потім лазер спекав наночастинки у потрібний малюнок. Потім повторюйте процес, доки деталь не буде створена.

Захоплюючі маленькі деталі

З розвитком нових технологій обробки, таких як двофотонна літографія в градаціях сірого (2GL) і поєднанням потужніших лазерів і вдосконаленого апаратного забезпечення (такого як столик і сканер), статус-кво мікродобавкового виробництва змінився. На відміну від цього, інші більш традиційні технології адитивного виробництва, такі як DLP, SLA та проекційна мікростерео літографія (P μ SL), можуть виготовляти лише більші структури, однак, коли йдеться про високу роздільну здатність (<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="">

Згідно зі спостереженням за ринком 3D Science Valley, Nanoscribe пропонує нове промислове рішення для упаковки фотонів за допомогою нещодавно запущеного Quantum X align. Втрати зв’язку зменшуються завдяки узгодженню поля режиму на рівні компонентів, а не на рівні мікросхеми. Високоточний 3D-друк із наноточним автоматичним вирівнюванням сприяє безпосередньому виготовленню мікрооптичних елементів на фотонних чіпах і волоконних сердечниках, а також прямому друку мікрооптичних елементів довільної форми або дифракційних оптичних елементів (DOE) у відповідних місцях, таким чином сприяючи оптимальному оптичному зв'язок на фотонних платформах.

Запатентована двофотонна літографія у градаціях сірого (2GL) Nanoscribe значно прискорює високоточну мікрообробку 2,5D структур для оптичних застосувань, таких як найвища точність форми та оптичний клас поверхонь (Ra менше або дорівнює 5 нм). Для подальшого розширення масштабів виробництва Nanoscribe випробувала дві надійні та перевірені стратегії реплікації з EV Group і kdg opticom.

Як і будь-який процес 3D-друку, мікро-3D-друк дозволяє своїм користувачам отримати переваги від свободи дизайну. Одним із завдань у сфері фотонної інтеграції, оптичних обчислень і передачі даних є сприяння вирівнюванню та упаковці фотонних компонентів. Спеціальні рішення для 3D-друку, засновані на апаратному та програмному забезпеченні, можуть досягти ефективного зв’язку при слабкому освітленні.

Порівняно з тими ж деталями, виготовленими традиційним виробничим процесом, швидкість виготовлення невеликих деталей вражає. З розвитком мініатюрних мікропродуктів мікро3D-друк можна застосувати в усіх галузях, що мають справу з дрібними та точними деталями. Традиційно вартість виробництва дрібних деталей була високою, тоді як виробництво з мікродобавками тепер забезпечує дешевші та простіші у використанні рішення.

Знати глибоко, але робити далеко. Базуючись на глобальній мережі експертних аналітичних центрів обробної промисловості, 3D Science Valley забезпечує промисловість поглибленим спостереженням за додатковими матеріалами та інтелектуальним виробництвом з глобальної точки зору. Щоб дізнатися більше про адитивне виробництво, зверніть увагу на серію офіційних документів, випущену 3D Science Valley.