Insight Into Micro 3D Printing – Unikátní vhled do technologie aditivní výroby

Obecně platí, že většina inovací ve zpracovatelském průmyslu se vyvíjí kolem schopnosti vyrábět velké 3D tištěné díly. S rostoucí poptávkou po miniaturizovaných zařízeních v oblasti elektroniky, biotechnologií, automobilů a letectví se však lidé stále více zajímají o technologii výroby mikroaditiv. Jak velký je tedy trh s malými díly? V tomto vydání, na základě analýzy JRg Smolenskiho, manažera rozvoje obchodu společnosti Nanoscribe, se 3D Science Valley a Guyou spojili, aby porozuměli základním principům a různým typům mikroaditivních výrobních technologií, jakož i hlavním výhodám mikroaditivní výroby. technologie, která může pomoci trhu posunout se kupředu, a oblasti, které je třeba zlepšit.

Technologie mikro 3D tisku

NanoScribe

Nenahraditelná z malého světa

Termín mikroaditivní výroba se obvykle používá zaměnitelně s 3D mikroobráběním nebo vysoce přesnou aditivní výrobou, ale ve skutečnosti nejde o přesná synonyma. Obecně se aditivní výroba týká spíše průmyslového výrobního prostředí a 3D mikrozpracování je obecný termín popisující všechny metody, jako je metoda fotolitografie, která je velmi populární a široce používaná ve výrobě MEMS (jedná se o obrovský vyspělý trh a metoda je velmi vyspělý). Existuje mnoho dalších metod 3D mikroobrábění, jako jsou metody pro mikrofluidiku, digitální metody založené na elektronové litografii a tak dále.

Abychom ilustrovali stav technologie mikroaditivní výroby, předpokládá se, že při 3D tisku je díl nejprve zkonstruován a digitálně popsán prostřednictvím bodového pole, kde bod (voxel) představuje minimální tiskovou jednotku. Velikost voxelů se pohybuje od nanometrů po makroskopické. Proces mikro 3D tisku proto vyžaduje použití mikronových nebo submikronových voxelů, což je klíčové pro výrobu mikroproduktů. Proto termín „mikro 3D tisk“ odkazuje na výrobu ultra-vysoko přesných, drobných dílů, jejichž tvaru nelze dosáhnout pomocí mikrovstřikovacího procesu a dalších typů tradičních výrobních procesů.

Podle 3D Science Valley existují dvě různá zaměření ve vývoji technologie 3D tisku, jedním z nich je technologie velkoformátového 3D tisku. Další důraz je kladen na mikro aspekt, tedy technologii 3D tisku schopnou vyrábět přesná a mikro zařízení. Mikro nano 3D tisk může produkovat složitá a jemná zařízení, což je ztělesněním výhod technologie 3D tisku, nebo převálcuje průmysl výroby přesných zařízení.

Malá síla mění svět! 3D Science Valley jednou sdílelo, že základní technologie společnosti Cytosurge pro 3D tisk na mikronové úrovni pochází z ETH Zurich University of Technology. Na základě své patentované technologie FluidFM vyvíjí, vyrábí a prodává inovativní vysoce přesné nanotechnologické kovové 3D tiskárny. Tato technologie představuje technologii mikroskopie kapalinové síly a má mnoho aplikací v biologických vědách a biofyzice.

V Číně budoucí inteligentní 3D přesná výrobní technologie s přesností na úrovni mikronů West Lake vyrovná tržní mezeru stovek nanometrů až stovek mikronů v přesném obrábění v elektronických a optických polích integrací kovů, keramiky, magnetických materiálů, polymerů, atd.

Když je díl změřen na tloušťku vrstvy 5 mikronů a rozlišení 2 mikrony v jednomístných mikrometrech, spustí se proces mikro 3D tisku. Je zajímavé, že některé procesy výroby mikroaditiv mohou produkovat součásti měřené v nanometrech (nm), 1000krát menší než mikron. Aby si lidé lépe představili, jaká je tato úroveň mikrovýroby, například si lidé obvykle pamatují, že průměrná šířka lidských vlasů je 75 mikronů, zatímco průměr vláken lidské DNA je 2,5 nanometru.

Při miniaturizaci je rozhodující kontrola celkových rozměrů a mikro 3D tisk může dosáhnout „další úrovně“ miniaturizace. Konkrétně aplikace jako elektronika, optika, polovodiče, lékařská zařízení, lékařské nástroje, mikrovstřikování, mikrofluidika a senzory jsou obory, kde mikro 3D tisk hraje jedinečnou roli.

Například vysoce přesný 3D biotisk lze použít jako přizpůsobené lešení pro tkáňové inženýrství a buněčný výzkum a lze jej použít v mnoha dalších inovativních biomedicínských mikroprostředích, která vyžadují přesnost, rychlost, materiálovou rozmanitost a sterilitu. 3D mikrozpracování může přiblížit výzkum biologických věd konceptu regenerativní medicíny k léčbě nemocí v této oblasti. Například vědci z Bostonské univerzity vyvinuli měkkou a mechanicky aktivní platformu pro buněčnou kulturu prostřednictvím platformy mikrofluidního čipu vyrobeného dvoufotonovou polymerací (2PP) ke studiu tkáně myokardu v přizpůsobitelném 3D mikroprostředí. Tato platforma pro buněčnou kulturu umožňuje růst srdeční tkáně ve 3D prostředí a může pozorovat její samosestavení v místě připojení buněk na vertikální stěně čipu. Integrovaný elektronický senzor měří sílu generovanou kontrakcí kultivovaných srdečních buněk. Výzkumníci navíc do čipu integrovali mechanický akční člen. S tímto aktuátorem vědci studovali účinky konstantního a dynamického mechanického namáhání na srdeční tkáň. Můžeme očekávat mnoho dalších vzrušujících aplikací mikro 3D tisku v tkáňovém inženýrství, buněčné biologii a regenerativní medicíně.

Integrovaná dvoufotonová litografie šedé stupnice (2GL) společnosti Quantum X a její základní technologie ladění voxelů mohou vytvářet 2,5D mikrostruktury s přesností submikronového tvaru a drsností povrchu menší než 5 nm (Ra).

NanoScribe

Obecně řečeno, věříme, že 10 mikronů a méně je mikroaditivní výroba. Samozřejmě, pokud jsou všechny tyto hodnoty v rozsahu 1-3 mikronů, jedná se o nejpřesnější definici mikro AM.

Stejně jako několik typů AM procesů existují také různé typy mikro AM procesů, včetně: tavného nanášení (FFD), přímého inkoustového zápisu (DIW), přímého nanášení energie (DED), výroby laminovaných předmětů (LOM), elektrohydrodynamického redoxního tisku ( EHDP), tavení prášku (PBF), 3D tisk založený na fotopolymerizaci (P3DP) a laserová chemická depozice z plynné fáze (LCVD).

Technologie mikro 3D tisku

Bílá kniha 3D Science Valley

Proces mikro 3D tisku na bázi pryskyřice je v současnosti nejuznávanějším procesem na trhu díky svým výhodám v rozlišení, kvalitě, reprodukovatelnosti a rychlosti. Navíc DED a EHDP mohou dosáhnout vyššího rozlišení. Avšak vysoké náklady a nízká rychlost výroby spojené s těmito procesy omezují jejich použití. Kvůli jejich omezenému rozlišení však stále mají omezení při realizaci malých vysoce přesných dílů nebo konstrukcí.

Ve srovnání s těmito metodami může Nanoscribe 2PP produkovat minimální velikost prvku jen 100 nm. Podle výzkumu vedl vývoj nových optických metod k pokroku mikroaditivního výrobního procesu, zejména procesu 3D tisku založeného na fotopolymerizaci. Podle odborníků lze pomocí světelných zdrojů s kratšími vlnovými délkami (jako jsou UV paprsky) a objektivů s vyšší NA (numerickou aperturou) dosáhnout vyššího rozlišení – což je obvykle jedna z nejvýznamnějších výzev v mikro AM.

Optická metoda oproti jiným metodám založeným na tepelném zpracování a laminaci zesiluje spojení sousedních voxelů. Kroky následného zpracování, jako je UV vytvrzování, také pomáhají zlepšit kvalitu součástí 3D tisku. Nakonec zpráva uvádí, že díky bezkontaktní cestě mezi oblastí zpracování a osvětlovacím systémem může laserová skvrna nebo optický vzor zpracovávaných surovin pomoci zlepšit stabilitu a opakovatelnost.

Mezi nejznámější výrobní procesy mikroaditiv patří DLP a mikro stereo litografie (μ SLA), projekční mikro stereo litografie (P μ SL), dvoufotonová polymerace (2PP nebo TPP), výroba kovů na bázi litografie ( LMM), elektrochemická depozice a mikroskopické selektivní laserové slinování (μ SLS).

Technologie přímé projekce světla (DLP).

Technologie DLP může dosáhnout opakovatelného mikronového rozlišení kombinací DLP s použitím adaptivní optiky. Jedním z hlavních rozdílů mezi SLA a SLA, který se obvykle nazývá velmi podobný, je to, že SLA potřebuje ke sledování jedné vrstvy použít laser, zatímco DLP používá projekční světelný zdroj ke zpevnění celé vrstvy najednou.

Mikro stereolitografie (μ SLA)

Mikro stereo litografie (MPuSLA), založená na fotoindukovaném vrstvení vrstev, se také používá k vytváření fyzických komponent vystavením fotocitlivé polymerní pryskyřice ultrafialovému laseru.

Projekční mikro stereo litografie (P μ SL)

P μ SL je fotopolymerizace s vysokým rozlišením (až 0.6) spouštěná plošnou projekcí μ m) Technologie 3D tisku může vytvářet složité 3D architektury pokrývající více měřítek a materiálů. Obecně se má za to, že stroje založené na tomto procesu kombinují výhody technologií DLP a SLA. Díky své cenové dostupnosti, přesnosti, rychlosti a schopnosti zpracovávat polymery, biomateriály a keramiku se tento proces rychle rozvinul.

Kovovýroba na bázi fotolitografie

Po rovnoměrném rozptýlení ve fotosenzitivní pryskyřici se kovový prášek selektivně polymeruje vystavením modrému světlu. 3D vytištěné zelené části jsou pak sintrovány v peci, aby se získaly husté části.

Dvoufotonová polymerace (2PP nebo TPP)

Tento proces je obecně považován za nejpřesnější z mikro 3D tiskáren. 2PP je metoda přímého laserového zápisu, která může pracovat na 3D a 2,5D mikrostrukturách bez drahého generování masky a vícenásobné litografie. Dá se říci, že 2PP naplno rozvinul svůj potenciál mezi bezmaskovou litografií a vysoce přesnou aditivní výrobou.

Podle chápání trhu 3D Science Valley společnost 2PP podporovala mikrovýrobu dílů na rovinných substrátech na úrovni waferů, například v aplikačních oblastech optických vláken, fotonických čipů a mikrofluidních kanálů s vnitřním těsněním.

2PP vyžaduje speciální fotocitlivou pryskyřici pro usnadnění zpracování, dosažení optimálního rozlišení a přesnosti tvaru a přizpůsobení pro různé aplikace. V současné době je vysoce přesný 3D tisk založený na dvoufotonové polymeraci velmi vhodný pro rychlé prototypování aplikačního designu, jako je biomedicínská zařízení, mikro optika, MEMS, mikrofluidní zařízení, fotonické obaly (jako PIC), projekty povrchového inženýrství atd. Možnosti zpracování plátků usnadňují dávkové zpracování a malosériovou výrobu 3D mikrodílů než kdykoli předtím.

Elektrochemická depozice

Elektrochemická depozice je vzácná technologie mikro 3D tisku bez jakéhokoli následného zpracování. Tento proces využívá malou tiskovou trysku zvanou iontová špička a ponoří ji do podpůrné elektrolytické lázně. Regulovaný tlak vzduchu tlačí kapalinu obsahující kovové ionty mikrokanálem v iontové špičce. Na konci mikrokanálu je kapalina obsahující ionty uvolněna na tiskovou plochu. Rozpuštěné kovové ionty jsou pak elektrolyticky naneseny do pevných atomů kovu. Ten pak roste do větších stavebních bloků (voxelů), dokud se nevytvoří součást.

Mikroškálové selektivní laserové slinování (μ SLS)

Tato aditivní výroba založená na fúzi práškového lože, známá také jako selektivní laserové slinování na mikronové úrovni (SLS), zahrnuje nanášení vrstvy inkoustu s kovovými nanočásticemi na substrát a následné sušení za účelem vytvoření jednotné vrstvy nanočástic. Laser pak sintroval nanočástice do požadovaného vzoru. Poté postup opakujte, dokud nebude díl vytvořen.

Fascinující malé díly

S pokrokem nových technologií zpracování, jako je dvoufotonová litografie ve stupních šedi (2GL) a kombinace výkonnějších laserů a vylepšeného hardwaru (jako je stolek a skener), se status quo výroby mikroaditiv změnil. Naproti tomu jiné tradičnější technologie aditivní výroby, jako je DLP, SLA a projekční mikro stereo litografie (P μ SL), mohou vyrábět pouze větší struktury, pokud jde o vysoké rozlišení (<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="">

Podle pozorování trhu 3D Science Valley poskytuje Nanoscribe nové průmyslové řešení pro balení fotonů s nedávno představeným Quantum X align. Ztráta vazby je redukována přizpůsobením pole režimu na úrovni komponent spíše než na úrovni čipu. Vysoce přesný 3D tisk s nano přesným automatickým zarovnáním podporuje přímou výrobu mikrooptických prvků na fotonických čipech a vláknových jádrech a přímý tisk volných mikrooptických prvků nebo difrakčních optických prvků (DOE) na vhodných místech, čímž podporuje optimální optické spojení na fotonických platformách.

Patentovaná dvoufotonová litografie šedé stupnice (2GL) společnosti Nanoscribe výrazně urychluje vysoce přesné mikroobrábění 2,5D struktur pro optické aplikace, jako je nejvyšší přesnost tvaru a povrchy optické kvality (Ra menší nebo rovno 5 nm). Aby bylo možné dále rozšířit rozsah výroby, Nanoscribe vyzkoušel dvě spolehlivé a osvědčené replikační strategie s EV Group a kdg opticom.

Jako každý 3D tiskový proces umožňuje mikro 3D tisk svým uživatelům těžit ze svobody návrhu. Jednou z výzev v oblasti fotonické integrace, optických výpočtů a datové komunikace je podpora zarovnání a balení fotonických komponent. Speciální 3D tisková řešení založená na hardwaru a softwaru mohou dosáhnout efektivního propojení s nízkou úrovní osvětlení.

Ve srovnání se stejnými díly vyrobenými tradičním výrobním procesem je rychlost výroby malého dílu fascinující. S vývojem miniaturizovaných mikroproduktů je mikro 3D tisk použitelný ve všech odvětvích zabývajících se malými a přesnými díly. Tradičně byly náklady na výrobu malých dílů vysoké, zatímco mikroaditivní výroba nyní poskytuje levnější a snadněji použitelná řešení.

Vědět je hluboké, ale dělat je daleko. 3D Science Valley, založené na globální síti expertních think-tanků zpracovatelského průmyslu, poskytuje průmyslu hloubkové sledování aditivních materiálů a inteligentní výroby z globální perspektivy. Chcete-li získat další analýzu aditivní výroby, věnujte prosím pozornost sérii white paper, kterou vydala 3D Science Valley.