Tietoa mikro-3D-tulostuksesta – ainutlaatuinen näkemys additiiviseen valmistustekniikkaan

Yleisesti ottaen suurin osa teollisuuden innovaatioista on kehitetty kykyyn tuottaa suuria 3D-tulostettuja osia. Pienikokoisten laitteiden kysynnän kasvaessa elektroniikan, biotekniikan, autojen ja ilmailun aloilla ihmiset ovat kuitenkin yhä enemmän kiinnostuneita mikrolisäaineiden valmistustekniikasta. Joten kuinka suuret pienten osien markkinat ovat? Tässä numerossa Nanoscriben liiketoiminnan kehityspäällikön JRg Smolenskin analyysin perusteella 3D Science Valley ja Guyou kokoontuvat ymmärtämään mikrolisäaineiden valmistustekniikan perusperiaatteet ja erityyppiset mikrolisäaineiden valmistustekniikat sekä mikrolisäaineiden valmistuksen tärkeimmät edut. teknologiaa, joka voi auttaa markkinoita etenemään ja alueita, joita on parannettava.

Micro 3D -tulostustekniikka

NanoScribe

Pienen maailman korvaamaton

Termiä mikrolisäainevalmistus käytetään yleensä vaihtokelpoisesti 3D-mikrokoneistuksen tai korkean tarkkuuden lisäainevalmistuksen kanssa, mutta itse asiassa ne eivät ole tarkkoja synonyymejä. Yleensä additiivinen valmistus viittaa enemmän teolliseen valmistusympäristöön, ja 3D-mikrokäsittely on yleinen termi, joka kuvaa kaikkia menetelmiä, kuten fotolitografiamenetelmää, joka on erittäin suosittu ja laajalti käytetty MEMS-valmistuksessa (tämä on valtava kypsä markkina ja menetelmä on erittäin kypsä). On olemassa monia muita 3D-mikrotyöstömenetelmiä, kuten mikrofluidiikkamenetelmiä, elektronisuihkulitografiaan perustuvia digitaalisia menetelmiä ja niin edelleen.

Mikrolisäainevalmistustekniikan tilan havainnollistamiseksi oletetaan, että 3D-tulostuksessa osa ensin konstruoidaan ja kuvataan digitaalisesti pistetaulukon kautta, jossa piste (vokseli) edustaa minimitulostusyksikköä. Vokselin koko vaihtelee nanometristä makroskooppiseen. Siksi mikro-3D-tulostusprosessi vaatii mikroni- tai submikronisten vokseleiden käyttöä, mikä on ratkaisevan tärkeää mikrotuotteiden valmistuksessa. Siksi termi "mikro-3D-tulostus" viittaa erittäin tarkkojen, pienten osien valmistukseen, joiden muotoa ei voida saavuttaa käyttämällä mikroruiskuvaluprosessia ja muita perinteisiä valmistusmenetelmiä.

3D Science Valleyn mukaan 3D-tulostustekniikan kehittämisessä on kaksi erilaista painopistettä, joista toinen on suurformaatin 3D-tulostustekniikka. Toinen painopiste on mikronäkökulmassa, eli 3D-tulostusteknologiassa, joka pystyy valmistamaan tarkkuus- ja mikrolaitteita. Mikronano-3D-tulostus voi tuottaa monimutkaisia ​​ja hienoja laitteita, mikä on 3D-tulostusteknologian edut ilmentymä, tai kaataa tarkkuuslaitteita valmistavan teollisuuden.

Pieni voima muuttaa maailmaa! 3D Science Valley kertoi kerran, että mikronitason 3D-tulostusyhtiö Cytosurgen ydinteknologia on peräisin ETH Zürichin teknillisestä yliopistosta. Patentoituun FluidFM-teknologiaansa perustuen se kehittää, valmistaa ja myy innovatiivisia, korkean tarkkuuden nanoteknologian metallisia 3D-tulostimia. Tämä tekniikka edustaa nestevoimamikroskopiatekniikkaa, ja sillä on monia sovelluksia biotieteissä ja biofysiikassa.

Kiinassa tulevaisuuden älykäs 3D-tarkkuusvalmistustekniikka mikronitason tarkkuudella West Lakessa kattaa sadoista nanometreistä satoihin mikroniin markkinoiden aukon elektronisten ja optisten kenttien tarkkuuskoneistuksessa integroimalla metallia, keramiikkaa, magneettisia materiaaleja, polymeerejä, jne.

Kun kappaleen kerrospaksuus on 5 mikronia ja resoluutio 2 mikronia yksinumeroisina mikrometreinä, mikro-3D-tulostusprosessi käynnistyy. Mielenkiintoista on, että jotkin mikrolisäaineiden valmistusprosessit voivat tuottaa nanometreinä (nm) mitattuja komponentteja, jotka ovat 1000 kertaa mikronia pienempiä. Jotta voitaisiin paremmin visualisoida, millaista tämä mikrovalmistuksen taso on, ihmiset yleensä muistavat, että ihmisen hiusten keskimääräinen leveys on 75 mikronia, kun taas ihmisen DNA-säikeiden halkaisija on 2,5 nanometriä.

Miniatyrisoinnissa kokonaismittojen hallinta on ratkaisevan tärkeää, ja mikro-3D-tulostuksella voidaan saavuttaa miniatyrisoinnin "seuraava taso". Erityisesti sovellukset, kuten elektroniikka, optiikka, puolijohteet, lääketieteelliset laitteet, lääketieteelliset työkalut, mikroruiskuvalu, mikrofluidiikka ja anturit ovat aloja, joilla mikro-3D-tulostus on ainutlaatuinen.

Esimerkiksi erittäin tarkkaa 3D-biotulostusta voidaan käyttää räätälöitynä telineenä kudostekniikassa ja solututkimuksessa, ja se soveltuu moniin muihin innovatiivisiin biolääketieteen mikroympäristöihin, jotka vaativat tarkkuutta, nopeutta, materiaalien monimuotoisuutta ja steriiliyttä. 3D-mikroprosessointi voi tuoda life science -tutkimuksen lähemmäksi regeneratiivisen lääketieteen käsitettä tämän alan sairauksien hoidossa. Esimerkiksi Bostonin yliopiston tutkijat ovat kehittäneet pehmeän ja mekaanisesti aktiivisen soluviljelyalustan mikrofluidisen sirualustan avulla, joka on valmistettu kaksifotonipolymeroinnilla (2PP) sydänlihaskudoksen tutkimiseksi mukautettavissa 3D-mikroympäristössä. Tämä soluviljelyalusta mahdollistaa sydänkudoksen kasvamisen 3D-ympäristössä ja voi tarkkailla sen itsekokoamista solun kiinnittymiskohdassa sirun pystyseinässä. Integroitu elektroninen anturi mittaa viljeltyjen sydänsolujen supistumisen synnyttämää voimaa. Lisäksi tutkijat ovat integroineet siruun mekaanisen toimilaitteen. Tällä toimilaitteella tutkijat ovat tutkineet jatkuvan ja dynaamisen mekaanisen rasituksen vaikutuksia sydänkudokseen. Voimme odottaa monia muita jännittäviä mikro-3D-tulostuksen sovelluksia kudostekniikassa, solubiologiassa ja regeneratiivisessa lääketieteessä.

Quantum X:n integroitu kahden fotonin harmaasävylitografia (2GL) ja sen perusvokselin viritystekniikka voivat tuottaa 2,5D-mikrorakenteita submikronin muodon tarkkuudella ja alle 5 nm:n (Ra) pinnan karheudella.

NanoScribe

Yleisesti ottaen uskomme, että 10 mikronia ja alle ovat mikrolisäaineiden valmistusta. Tietenkin, jos kaikki nämä ovat alueella 1-3 mikronia, tämä on tarkin määritelmä mikro AM:lle.

Kuten monentyyppisiä AM-prosesseja, on olemassa myös erilaisia ​​mikro-AM-prosesseja, mukaan lukien: sulakepinnoitus (FFD), suora mustekirjoitus (DIW), suora energiapinnoitus (DED), laminoitujen esineiden valmistus (LOM), elektrohydrodynaaminen redox-tulostus ( EHDP), jauhepetisulatus (PBF), fotopolymerointiin perustuva 3D-tulostus (P3DP) ja laserkemiallinen höyrypinnoitus (LCVD).

Micro 3D -tulostustekniikka

3D Science Valleyn valkoinen kirja

Hartsipohjainen mikro-3D-tulostusprosessi on tällä hetkellä markkinoiden tunnetuin prosessi sen resoluution, laadun, toistettavuuden ja nopeuden etujensa ansiosta. Lisäksi DED ja EHDP voivat saavuttaa korkeamman resoluution. Näihin prosesseihin liittyvät korkeat kustannukset ja alhainen valmistusnopeus rajoittavat kuitenkin niiden käyttöä. Rajoitetun resoluutionsa vuoksi niillä on kuitenkin rajoituksia pienten, erittäin tarkkojen osien tai rakenteiden toteuttamisessa.

Näihin menetelmiin verrattuna Nanoscriben 2PP pystyy tuottamaan jopa 100 nm:n vähimmäiskoon. Tutkimusten mukaan uusien optisten menetelmien kehitys on johtanut mikrolisäainevalmistusprosessin, erityisesti fotopolymerointiin perustuvan 3D-tulostusprosessin, edistymiseen. Asiantuntijoiden mukaan käyttämällä valonlähteitä, joilla on lyhyempi aallonpituus (kuten UV-säteet) ja objektiivilinssejä, joilla on suurempi NA (numeerinen aukko), voidaan saavuttaa suurempi resoluutio - mikä on yleensä yksi merkittävimmistä haasteista mikro AM:ssä.

Muihin lämpökäsittelyyn ja laminointiin perustuviin menetelmiin verrattuna optinen menetelmä vahvistaa vierekkäisten vokselien yhteyttä. Jälkikäsittelyvaiheet, kuten UV-kovetus, auttavat myös parantamaan 3D-tulostuskomponenttien laatua. Lopuksi raportissa todetaan, että prosessointialueen ja valaistusjärjestelmän välisen kosketuksettoman tavan vuoksi käsiteltyjen raaka-aineiden laserpiste tai optinen kuvio voi auttaa parantamaan stabiilisuutta ja toistettavuutta.

Kaikkein tunnetuimpia mikrolisäaineiden valmistusprosesseja ovat DLP ja mikrostereolitografia (μ SLA), projektio-mikrostereolitografia (P μ SL), kaksifotonipolymerointi (2PP tai TPP), litografiaan perustuva metallin valmistus ( LMM), sähkökemiallinen pinnoitus ja mikromittakaavallinen selektiivinen lasersintraus (μ SLS).

Direct Light Projection (DLP) -tekniikka

DLP-teknologialla voidaan saavuttaa toistettavissa oleva mikroniresoluutio yhdistämällä DLP mukautuvan optiikan käyttöön. Yksi tärkeimmistä eroista SLA:n ja SLA:n välillä, jota yleensä kutsutaan hyvin samankaltaiseksi, on se, että SLA:n on käytettävä laseria yhden kerroksen seuraamiseen, kun taas DLP käyttää projektiovalolähdettä koko kerroksen kiinteyttämiseen kerrallaan.

Mikrostereolitografia (μ SLA)

Myös valoindusoituun kerrosten pinoamiseen perustuvaa mikrostereolitografiaa (MPuSLA) käytetään fyysisten komponenttien rakentamiseen altistamalla valoherkkä polymeerihartsi ultraviolettilaserille.

Projektion mikrostereolitografia (P μ SL)

P μ SL on korkearesoluutioinen (jopa 0.6) fotopolymerointi, jonka laukaisee alueprojektio μ m) 3D-tulostustekniikka voi tuottaa monimutkaisia ​​3D-arkkitehtuureja, jotka kattavat useita mittakaavoja ja materiaaleja. Tähän prosessiin perustuvien koneiden katsotaan yleisesti yhdistävän DLP- ja SLA-tekniikoiden edut. Kohtuuhintaisuuden, tarkkuuden, nopeuden ja kykynsä prosessoida polymeerejä, biomateriaaleja ja keramiikkaa ansiosta prosessi on kehittynyt nopeasti.

Fotolitografiaan perustuva metallin valmistus

Tasaisen dispersion jälkeen valoherkkään hartsiin metallijauhe polymeroidaan sitten valikoivasti altistamalla siniselle valolle. 3D-tulostetut vihreät osat sintrataan sitten uunissa tiheiden osien saamiseksi.

Kahden fotonin polymerointi (2PP tai TPP)

Tätä prosessia pidetään yleensä tarkimpana mikro-3D-tulostimista. 2PP on suora laserkirjoitusmenetelmä, joka voi työskennellä 3D- ja 2,5D-mikrorakenteissa ilman kallista maskin generointia ja useita litografiaa. Voidaan sanoa, että 2PP on käyttänyt täyden potentiaalinsa maskittoman litografian ja erittäin tarkan lisäainevalmistuksen välillä.

3D Science Valleyn markkinaymmärryksen mukaan 2PP on edistänyt osien mikrovalmistusta kiekkotason tasomaisille substraateille esimerkiksi optisten kuitujen, fotonisirujen ja sisätiivisteillä varustettujen mikrofluidikanavien sovellusalueilla.

2PP vaatii erityistä valoherkkää hartsia, joka helpottaa käsittelyä, saavuttaa optimaalisen resoluution ja muodon tarkkuuden ja on räätälöity eri sovelluksiin. Tällä hetkellä kahden fotonin polymerointiin perustuva korkean tarkkuuden 3D-tulostus soveltuu erittäin hyvin sovellussuunnittelun nopeaan prototyyppiin, kuten biolääketieteen laitteet, mikrooptiikka, MEMS, mikrofluidilaitteet, fotonipakkaukset (kuten PIC), pintasuunnitteluprojektit jne. Kiekkojen käsittelyominaisuudet tekevät 3D-mikroosien eräkäsittelystä ja pienten erätuotannon helpompaa kuin koskaan ennen.

Sähkökemiallinen laskeuma

Sähkökemiallinen pinnoitus on harvinainen mikro-3D-tulostustekniikka ilman jälkikäsittelyä. Tässä prosessissa käytetään pientä suutinta, jota kutsutaan ionikärjeksi, ja upotetaan se tukevaan elektrolyyttihauteeseen. Säädetty ilmanpaine työntää metalli-ioneja sisältävän nesteen ionin kärjessä olevan mikrokanavan läpi. Mikrokanavan lopussa ioneja sisältävä neste vapautuu tulostuspinnalle. Liuenneet metalli-ionit sähkösaostetaan sitten kiinteiksi metalliatomeiksi. Jälkimmäinen kasvaa sitten suuremmiksi rakennuspalikoiksi (vokseleiksi), kunnes osa muodostuu.

Mikromittakaavainen selektiivinen lasersintraus (μ SLS)

Tämä lisäainevalmistus, joka perustuu jauhepetifuusioon, joka tunnetaan myös nimellä mikronitason selektiivinen lasersintraus (SLS), sisältää metallin nanohiukkasmusteen pinnoittamisen alustalle ja sen sitten kuivaamisen yhtenäisen nanopartikkelikerroksen muodostamiseksi. Sitten laser sintrasi nanopartikkelit haluttuun kuvioon. Toista sitten prosessia, kunnes osa on luotu.

Kiehtovia pieniä osia

Uusien prosessointitekniikoiden, kuten kahden fotonin harmaasävylitografian (2GL) ja tehokkaampien lasereiden ja parannetun laitteiston (kuten näyttämön ja skannerin) yhdistelmän myötä mikrolisäaineiden valmistuksen status quo on muuttunut. Sitä vastoin muut perinteisemmät lisäainevalmistustekniikat, kuten DLP, SLA ja projektio-mikrostereolitografia (P μ SL), voivat valmistaa vain suurempia rakenteita, mutta korkean resoluution (<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 Valleyn markkinahavainnon mukaan Nanoscribe tarjoaa uuden teollisen ratkaisun fotonipakkauksiin äskettäin lanseeratulla Quantum X alignilla. Kytkentähäviö vähenee moodikentän sovituksella komponenttitasolla alibitin tasolla. Erittäin tarkka 3D-tulostus nanotarkkuudella automaattisella kohdistuksella edistää mikrooptisten elementtien suoraa valmistusta fotonisiruille ja kuituytimille sekä vapaamuotoisten mikrooptisten elementtien tai diffraktiivisten optisten elementtien (DOE) suoratulostusta sopiviin paikkoihin, mikä edistää optimaalista optista tekniikkaa. kytkentä fotonisilla alustoilla.

Nanoscriben patentoitu kahden fotonin harmaasävylitografia (2GL) nopeuttaa merkittävästi 2,5D-rakenteiden erittäin tarkkaa mikrotyöstöä optisissa sovelluksissa, kuten korkeimmassa muodon tarkkuudessa ja optisissa pinnoissa (Ra pienempi tai yhtä suuri kuin 5 nm). Laajentaakseen tuotantoa edelleen Nanoscribe on kokeillut kahta luotettavaa ja todistettua replikointistrategiaa EV Groupin ja kdg opticomin kanssa.

Kuten kaikki 3D-tulostusprosessit, myös mikro-3D-tulostus antaa käyttäjilleen mahdollisuuden hyötyä suunnittelun vapaudesta. Yksi fotonisen integraation, optisen laskennan ja tietoliikenteen haasteista on edistää fotonikomponenttien kohdistamista ja pakkaamista. Laitteisiin ja ohjelmistoihin perustuvilla erityisillä 3D-tulostusratkaisuilla voidaan saavuttaa tehokas heikossa valaistuksessa oleva kytkentä.

Verrattuna samoihin osiin, jotka on valmistettu perinteisellä valmistusprosessilla, pienen osan valmistusnopeus on kiehtova. Pienoiskokoisten mikrotuotteiden kehittämisen myötä mikro-3D-tulostus soveltuu kaikille pieniin ja tarkkoihin osiin liittyville teollisuudenaloille. Perinteisesti pienten osien valmistuskustannukset ovat olleet korkeat, kun taas mikrolisäainevalmistus tarjoaa nyt halvempia ja helpompia käyttää ratkaisuja.

Tietäminen on syvää, mutta tekeminen kaukana. Valmistavan teollisuuden maailmanlaajuiseen asiantuntija-ajatushautomoverkostoon perustuva 3D Science Valley tarjoaa teollisuudelle syvällistä lisäainemateriaalien ja älykkään valmistuksen havainnointia globaalista näkökulmasta. Lisää analyyseja additiivisesta valmistuksesta saat 3D Science Valleyn julkaisemaan valkoiseen paperisarjaan.