Insight Into Micro 3D Printing - Unik Insight Into Additive Manufacturing Technology

Generellt sett är de flesta innovationer inom tillverkningsindustrin utvecklade kring möjligheten att producera stora 3D-printade delar. Men med den växande efterfrågan på miniatyriserad utrustning inom områdena elektronik, bioteknik, bil och flyg, är människor alltmer intresserade av tillverkningstekniken för mikrotillsatser. Så, hur stor är marknaden för små delar? I det här numret, baserat på analysen av JRg Smolenski, samlas affärsutvecklingschefen för Nanoscribe, 3D Science Valley och Guyou för att förstå de grundläggande principerna och olika typer av mikroadditiv tillverkningsteknologi, såväl som de viktigaste fördelarna med mikrotillsatstillverkning teknik som kan hjälpa marknaden framåt och de områden som behöver förbättras.

Mikro 3D-utskriftsteknik

NanoScribe

Det oersättliga i den lilla världen

Termen mikroadditiv tillverkning används vanligtvis omväxlande med 3D-mikrobearbetning eller högprecisionstillverkning, men i själva verket är de inte exakta synonymer. Generellt hänvisar additiv tillverkning mer till den industriella tillverkningsmiljön, och 3D-mikrobearbetning är en allmän term som beskriver alla metoder, till exempel fotolitografimetoden som är mycket populär och allmänt använd i MEMS-tillverkning (detta är en enorm mogen marknad, och metoden är mycket mogen). Det finns många andra 3D-mikrobearbetningsmetoder, såsom metoder för mikrofluidik, digitala metoder baserade på elektronstrålelitografi och så vidare.

För att illustrera statusen för mikroadditiv tillverkningsteknik antas att i 3D-utskrift konstrueras en del först och beskrivs digitalt genom en punktmatris, där en punkt (voxel) representerar en minimal utskriftsenhet. Voxelstorleken sträcker sig från nanometer till makroskopisk. Därför kräver mikro 3D-utskriftsprocess användning av mikron eller submikron voxels, vilket är avgörande för tillverkningen av mikroprodukter. Därför hänvisar termen "mikro 3D-utskrift" till tillverkning av mycket hög precision, små delar vars form inte kan uppnås genom att använda mikroformsprutningsprocesser och andra typer av traditionella tillverkningsprocesser.

Enligt 3D Science Valley finns det två olika inriktningar inom utvecklingen av 3D-utskriftsteknik, varav ett är storformats 3D-utskriftsteknik. Ett annat fokus ligger på mikroaspekten, det vill säga 3D-utskriftsteknik som kan tillverka precision och mikroenheter. Micro nano 3D-utskrift kan producera komplexa och fina enheter, vilket är förkroppsligandet av fördelarna med 3D-utskriftsteknik, eller kommer att störta tillverkningsindustrin för precisionsenheter.

Liten makt förändrar världen! 3D Science Valley berättade en gång att kärntekniken för 3D-utskriftsföretaget Cytosurge på mikronnivå kommer från ETH Zurich University of Technology. Baserat på sin patenterade FluidFM-teknologi, utvecklar, tillverkar och säljer den innovativa högprecisions-3D-skrivare i metall med nanoteknik. Denna teknik representerar vätskekraftsmikroskopiteknik och har många tillämpningar inom biovetenskap och biofysik.

I Kina kommer den framtida smarta 3D-precisionstillverkningstekniken med mikronnivånoggrannhet från West Lake att täcka marknadsgapet på hundratals nanometer till hundratals mikron inom precisionsbearbetning i elektroniska och optiska fält genom att integrera metall, keramik, magnetiska material, polymerer, etc.

När detaljen mäts till en skikttjocklek på 5 mikron och en upplösning på 2 mikron i ensiffriga mikrometer, startas mikro 3D-utskriftsprocessen. Intressant nog kan vissa mikroadditiv tillverkningsprocesser producera komponenter mätt i nanometer (nm), 1000 gånger mindre än en mikron. För att bättre kunna visualisera hur denna nivå av mikrotillverkning är, till exempel, brukar folk komma ihåg att den genomsnittliga bredden på människohår är 75 mikron, medan diametern på mänskliga DNA-strängar är 2,5 nanometer.

Vid miniatyrisering är kontrollen av övergripande dimensioner avgörande, och mikro 3D-utskrift kan uppnå "nästa nivå" av miniatyrisering. Specifikt är applikationer som elektronik, optik, halvledare, medicinsk utrustning, medicinska verktyg, mikroformsprutning, mikrofluidik och sensorer de områden där mikro 3D-utskrift spelar en unik roll.

Till exempel kan 3D bioprinting med hög precision användas som en skräddarsydd ställning för vävnadsteknik och cellforskning, och är tillämpbar på många andra innovativa biomedicinska mikromiljöer som kräver precision, hastighet, materialdiversitet och sterilitet. 3D-mikrobehandling kan göra biovetenskaplig forskning närmare begreppet regenerativ medicin för att behandla sjukdomar inom detta område. Till exempel har forskare vid Boston University utvecklat en mjuk och mekaniskt aktiv cellodlingsplattform genom den mikrofluidiska chipplattformen tillverkad av tvåfotonpolymerisation (2PP) för att studera myokardvävnad i en anpassningsbar 3D-mikromiljö. Denna cellodlingsplattform tillåter hjärtvävnad att växa i en 3D-miljö och kan observera dess självmontering vid cellfästet på den vertikala väggen av chipet. Den integrerade elektroniska sensorn mäter kraften som genereras av sammandragningen av odlade hjärtceller. Dessutom har forskare integrerat ett mekaniskt ställdon i chippet. Med detta manöverdon har forskare studerat effekterna av konstant och dynamisk mekanisk belastning på hjärtvävnaden. Vi kan förvänta oss många andra spännande tillämpningar av mikro 3D-utskrift inom vävnadsteknik, cellbiologi och regenerativ medicin.

Quantum X:s integrerade två-foton-gråskalelitografi (2GL) och dess grundläggande voxel-avstämningsteknologi kan producera 2,5D-mikrostrukturer med submikronformad noggrannhet och mindre än 5 nm (Ra) ytjämnhet.

NanoScribe

Generellt sett anser vi att 10 mikron och lägre är mikroadditiv tillverkning. Naturligtvis, om alla dessa är inom intervallet 1-3 mikron, är detta den mest exakta definitionen av mikro AM.

Liksom flera typer av AM-processer finns det också olika typer av mikro AM-processer, inklusive: säkringsavsättning (FFD), direkt bläckskrivning (DIW), direkt energideponering (DED), tillverkning av laminerade objekt (LOM), elektrohydrodynamisk redoxutskrift ( EHDP), pulverbäddssmältning (PBF), fotopolymerisationsbaserad 3D-utskrift (P3DP) och laserkemisk ångdeposition (LCVD).

Mikro 3D-utskriftsteknik

3D Science Valley vitbok

Hartsbaserad mikro 3D-utskriftsprocess är för närvarande den mest erkända processen på marknaden på grund av dess fördelar i upplösning, kvalitet, reproducerbarhet och hastighet. Dessutom kan DED och EHDP uppnå högre upplösning. Den höga kostnaden och låga tillverkningshastigheten i samband med dessa processer begränsar emellertid deras tillämpning. Men på grund av sin begränsade upplösning har de fortfarande begränsningar när det gäller att realisera små högprecisionsdelar eller strukturer.

Jämfört med dessa metoder kan Nanoscribes 2PP producera en minsta funktionsstorlek så låg som 100 nm. Enligt forskning har utvecklingen av nya optiska metoder lett till framstegen för mikroadditiv tillverkningsprocess, särskilt 3D-utskriftsprocessen baserad på fotopolymerisation. Enligt experter kan man uppnå högre upplösning genom att använda ljuskällor med kortare våglängder (som UV-strålar) och objektiv med högre NA (numerisk bländare) – vilket vanligtvis är en av de mest framträdande utmaningarna inom mikro AM.

Jämfört med andra metoder baserade på värmebehandling och laminering gör den optiska metoden anslutningen av intilliggande voxlar starkare. Efterbehandlingssteg som UV-härdning hjälper också till att förbättra kvaliteten på 3D-utskriftskomponenter. Slutligen konstaterar rapporten att på grund av det icke-kontaktande sättet mellan bearbetningsområdet och belysningssystemet kan laserpunkten eller det optiska mönstret för de bearbetade råvarorna bidra till att förbättra stabiliteten och repeterbarheten.

Med det sagt inkluderar de mest välkända tillverkningsprocesserna för mikroadditiv DLP och mikrostereolitografi (μ SLA), projektionsmikrostereolitografi (P μ SL), tvåfotonpolymerisation (2PP eller TPP), litografibaserad metalltillverkning ( LMM), elektrokemisk avsättning och mikroskalig selektiv lasersintring (μ SLS).

Direct Light Projection (DLP)-teknik

DLP-teknik kan uppnå repeterbar mikronupplösning genom att kombinera DLP med användning av adaptiv optik. En av huvudskillnaderna mellan SLA och SLA, som brukar kallas väldigt lika, är att SLA behöver använda laser för att spåra ett lager, medan DLP använder en projektionsljuskälla för att stelna hela lagret åt gången.

Mikrostereolitografi (μ SLA)

Också baserat på fotoinducerad lagerstapling, används mikrostereolitografi (MPuSLA) för att bygga fysiska komponenter genom att exponera fotokänslig polymerharts för ultraviolett laser.

Projektionsmikro stereolitografi (P μ SL)

P μ SL är en högupplöst (upp till 0.6) fotopolymerisation som utlöses av ytprojektion μ m) 3D-utskriftsteknik kan producera komplexa 3D-arkitekturer som täcker flera skalor och material. Maskiner baserade på denna process anses generellt kombinera fördelarna med DLP- och SLA-teknologier. På grund av dess prisvärdhet, noggrannhet, hastighet och förmåga att bearbeta polymerer, biomaterial och keramik har processen utvecklats snabbt.

Metalltillverkning baserad på fotolitografi

Efter enhetlig dispergering i det ljuskänsliga hartset polymeriseras metallpulvret sedan selektivt genom exponering för blått ljus. De 3D-printade gröna delarna sintras sedan i ugnen för att få täta delar.

Tvåfotonpolymerisation (2PP eller TPP)

Denna process anses allmänt vara den mest exakta av mikro 3D-skrivare. 2PP är en direkt laserskrivmetod som kan fungera på 3D- och 2,5D-mikrostrukturer utan dyrbar maskgenerering och multipel litografi. Man kan säga att 2PP har utnyttjat sin fulla potential mellan masklös litografi och högprecisionstillverkning av additiv.

Enligt marknadsförståelsen för 3D Science Valley har 2PP främjat mikrotillverkning av delar på plana substrat på wafernivå, till exempel inom applikationsområdena optiska fibrer, fotoniska chips och mikrofluidkanaler med inre tätningar.

2PP kräver speciellt ljuskänsligt harts för att underlätta bearbetning, uppnå optimal upplösning och formnoggrannhet och skräddarsys för olika applikationer. För närvarande är 3D-utskrift med hög precision baserad på tvåfotonpolymerisation mycket lämplig för snabb prototypframställning av applikationsdesign, såsom biomedicinsk utrustning, mikrooptik, MEMS, mikrofluidisk utrustning, fotonisk förpackning (som PIC), yttekniska projekt, etc. Möjligheterna att bearbeta wafer gör batchbearbetning och små batchproduktion av 3D-mikrodelar enklare än någonsin tidigare.

Elektrokemisk avsättning

Elektrokemisk deponering är en sällsynt mikro 3D-utskriftsteknik utan någon efterbearbetning. Denna process använder ett litet tryckmunstycke som kallas en jonspets och nedsänker det i ett stödjande elektrolytbad. Det reglerade lufttrycket trycker vätskan som innehåller metalljoner genom mikrokanalen i jonspetsen. I slutet av mikrokanalen frigörs den vätska som innehåller joner till tryckytan. De lösta metalljonerna avsätts sedan elektrolytiskt i fasta metallatomer. Den senare växer sedan till större byggstenar (voxels) tills delen bildas.

Mikroskala selektiv lasersintring (μ SLS)

Denna additiv tillverkning baserad på pulverbäddsfusion, även känd som selektiv lasersintring på mikronnivå (SLS), involverar beläggning av ett skikt av metallnanopartikelbläck på substratet och sedan torkning av det för att generera ett enhetligt nanopartikelskikt. Lasern sintrade sedan nanopartiklarna till det önskade mönstret. Upprepa sedan processen tills delen är skapad.

Fascinerande smådelar

Med framstegen med nya bearbetningsteknologier, såsom tvåfoton-gråskalelitografi (2GL) och kombinationen av lasrar med högre effekt och förbättrad hårdvara (som scen och skanner), har status quo för mikrotillsatstillverkning förändrats. Däremot kan andra mer traditionella additiv tillverkningsteknologier, såsom DLP, SLA och projektionsmikro stereolitografi (P μ SL) endast tillverka större strukturer, när det kommer till hög upplösning (<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="">

Enligt marknadsobservationerna från 3D Science Valley tillhandahåller Nanoscribe en ny industriell lösning för fotonförpackningar med den nyligen lanserade Quantum X align. Kopplingsförlusten reduceras genom modfältsmatchning på komponentnivå snarare än chipnivå. 3D-utskrift med hög precision med automatisk nanoprecisionsjustering främjar direkt tillverkning av mikrooptiska element på fotoniska chips och fiberkärnor, och direktutskrift av friformsmikrooptiska element eller diffraktiva optiska element (DOE) på lämpliga platser, vilket främjar optimal optik koppling på fotoniska plattformar.

Nanoscribes egenutvecklade två-foton-gråskalelitografi (2GL) påskyndar avsevärt högprecisionsmikrobearbetning av 2.5D-strukturer för optiska applikationer, såsom högsta formnoggrannhet och optiska ytor (Ra mindre än eller lika med 5 nm). För att ytterligare utöka produktionsskalan har Nanoscribe provat två pålitliga och beprövade replikeringsstrategier med EV Group och kdg opticom.

Liksom alla 3D-utskriftsprocesser tillåter mikro 3D-utskrift sina användare att dra nytta av designfriheten. En av utmaningarna inom området fotonisk integration, optisk beräkning och datakommunikation är att främja anpassningen och paketeringen av fotoniska komponenter. Särskilda 3D-utskriftslösningar baserade på hårdvara och mjukvara kan uppnå effektiv lågljusnivåkoppling.

Jämfört med samma delar som tillverkats genom traditionell tillverkningsprocess, är hastigheten för tillverkning av en liten del fascinerande. Med utvecklingen av miniatyriserade mikroprodukter är mikro 3D-utskrift tillämpbar för alla industrier som arbetar med små och precisionsdetaljer. Traditionellt har kostnaderna för att tillverka små delar varit höga, medan mikroadditiv tillverkning nu ger billigare och enklare att använda lösningar.

Att veta är djupt, men att göra är långt. Baserat på det globala expertnätverket för tankesmedjor inom tillverkningsindustrin, förser 3D Science Valley industrin med djupgående observationer av tillsatsmaterial och intelligent tillverkning ur ett globalt perspektiv. För mer analys av additiv tillverkning, var uppmärksam på vitbokserien som släppts av 3D Science Valley.