Uvid u mikro 3D ispis - jedinstveni uvid u tehnologiju aditivne proizvodnje

Općenito, većina inovacija u proizvodnoj industriji razvija se oko mogućnosti proizvodnje velikih 3D tiskanih dijelova. Međutim, s rastućom potražnjom za minijaturiziranom opremom u području elektronike, biotehnologije, automobila i zrakoplovstva, ljudi su sve više zainteresirani za tehnologiju proizvodnje mikroaditiva. Dakle, koliko je veliko tržište za male dijelove? U ovom izdanju, na temelju analize JRg Smolenskog, voditelja poslovnog razvoja tvrtke Nanoscribe, 3D Science Valley i Guyou okupljaju se kako bi razumjeli osnovne principe i različite vrste tehnologije proizvodnje mikroaditiva, kao i glavne prednosti proizvodnje mikroaditiva tehnologiju koja može pomoći tržištu da napreduje i područja koja treba poboljšati.

Tehnologija mikro 3D printanja

NanoScribe

Nezamjenjivi u malenom svijetu

Izraz mikro aditivna proizvodnja obično se koristi kao sinonim za 3D mikro strojnu obradu ili visokopreciznu aditivnu proizvodnju, ali zapravo nisu točni sinonimi. Općenito, aditivna proizvodnja više se odnosi na okruženje industrijske proizvodnje, a 3D mikro obrada je opći pojam koji opisuje sve metode, kao što je metoda fotolitografije koja je vrlo popularna i naširoko korištena u proizvodnji MEMS-a (ovo je veliko zrelo tržište, a metoda vrlo je zreo). Postoje mnoge druge metode 3D mikrostrojne obrade, kao što su metode za mikrofluidiku, digitalne metode temeljene na litografiji elektronskim snopom, i tako dalje.

Kako bi se ilustrirao status tehnologije mikroaditivne proizvodnje, pretpostavlja se da se u 3D printanju dio najprije konstruira i digitalno opisuje nizom točaka, gdje točka (voxel) predstavlja minimalnu jedinicu ispisa. Veličina voksela kreće se od nanometarske do makroskopske. Stoga proces mikro 3D ispisa zahtijeva korištenje mikronskih ili submikronskih voksela, što je ključno za proizvodnju mikro proizvoda. Stoga se pojam "mikro 3D ispis" odnosi na proizvodnju ultravisokih preciznih, sitnih dijelova čiji se oblik ne može postići korištenjem procesa mikro injekcijskog prešanja i drugih vrsta tradicionalnih proizvodnih procesa.

Prema 3D Science Valleyju, postoje dva različita fokusa u razvoju tehnologije 3D ispisa, od kojih je jedan tehnologija 3D ispisa velikog formata. Drugi fokus je na mikro aspektu, odnosno tehnologiji 3D ispisa sposobnoj za proizvodnju preciznih i mikro uređaja. Mikro nano 3D ispis može proizvesti složene i fine uređaje, što je utjelovljenje prednosti tehnologije 3D ispisa, ili će preokrenuti industriju proizvodnje preciznih uređaja.

Mala sila mijenja svijet! 3D Science Valley jednom je podijelio da temeljna tehnologija tvrtke Cytosurge za 3D ispis mikronske razine dolazi sa Tehnološkog sveučilišta ETH Zurich. Na temelju svoje patentirane FluidFM tehnologije, razvija, proizvodi i prodaje inovativne visokoprecizne nanotehnološke metalne 3D pisače. Ova tehnologija predstavlja tehnologiju mikroskopije sile fluida i ima mnoge primjene u znanostima o životu i biofizici.

U Kini, buduća pametna 3D precizna proizvodna tehnologija s mikronskom razinom točnosti West Lakea nadoknadit će tržišnu prazninu od stotina nanometara do stotina mikrona u preciznoj obradi u elektroničkim i optičkim poljima integracijom metala, keramike, magnetskih materijala, polimera, itd.

Kada se dio izmjeri na debljinu sloja od 5 mikrona i rezoluciju od 2 mikrona u jednoznamenkastim mikrometrima, započinje proces mikro 3D ispisa. Zanimljivo je da neki procesi proizvodnje mikroaditiva mogu proizvesti komponente mjerene u nanometrima (nm), 1000 puta manje od mikrona. Kako bi bolje vizualizirali kakva je to razina mikroproizvodnje, ljudi se, primjerice, obično sjete da je prosječna širina ljudske kose 75 mikrona, dok je promjer ljudskih DNK lanaca 2,5 nanometara.

U minijaturizaciji je ključna kontrola ukupnih dimenzija, a mikro 3D printanje može postići "sljedeću razinu" minijaturizacije. Konkretno, aplikacije kao što su elektronika, optika, poluvodiči, medicinski uređaji, medicinski alati, mikro injekcijsko prešanje, mikrofluidika i senzori su polja u kojima mikro 3D ispis igra jedinstvenu ulogu.

Na primjer, visokoprecizni 3D bioprint može se koristiti kao prilagođena skela za tkivni inženjering i istraživanje stanica, a primjenjiv je na mnoga druga inovativna biomedicinska mikrookruženja koja zahtijevaju preciznost, brzinu, raznolikost materijala i sterilnost. 3D mikro obrada može istraživanje znanosti o životu približiti konceptu regenerativne medicine za liječenje bolesti u ovom području. Na primjer, znanstvenici sa Sveučilišta u Bostonu razvili su meku i mehanički aktivnu platformu stanične kulture putem platforme mikrofluidnog čipa proizvedene dvofotonskom polimerizacijom (2PP) za proučavanje miokardijalnog tkiva u prilagodljivom 3D mikrookruženju. Ova platforma stanične kulture omogućuje srčanom tkivu rast u 3D okruženju i može promatrati njegovo samosastavljanje na mjestu pričvršćivanja stanica na okomitoj stijenci čipa. Integrirani elektronički senzor mjeri silu generiranu kontrakcijom uzgojenih srčanih stanica. Osim toga, istraživači su integrirali mehanički pokretač u čip. S ovim aktuatorom znanstvenici su proučavali učinke stalnog i dinamičkog mehaničkog naprezanja na srčano tkivo. Možemo očekivati ​​mnoge druge uzbudljive primjene mikro 3D ispisa u inženjerstvu tkiva, staničnoj biologiji i regenerativnoj medicini.

Quantum X-ova integrirana dvofotonska litografija u sivoj skali (2GL) i njegova osnovna tehnologija ugađanja voksela mogu proizvesti 2.5D mikrostrukture submikronske točnosti oblika i manje od 5 nm (Ra) hrapavosti površine.

NanoScribe

Općenito govoreći, vjerujemo da je 10 mikrona i niže mikroaditivna proizvodnja. Naravno, ako je sve to u rasponu od 1-3 mikrona, ovo je najtočnija definicija mikro AM.

Kao i nekoliko tipova AM procesa, postoje i različiti tipovi mikro AM procesa, uključujući: taloženje fiksira (FFD), izravno pisanje tintom (DIW), izravno taloženje energije (DED), proizvodnju laminiranih predmeta (LOM), elektrohidrodinamički redoks tisak ( EHDP), taljenje sloja praha (PBF), 3D ispis temeljen na fotopolimerizaciji (P3DP) i lasersko kemijsko taloženje iz pare (LCVD).

Tehnologija mikro 3D printanja

Bijela knjiga 3D Science Valley

Proces mikro 3D ispisa na bazi smole trenutno je najpriznatiji proces na tržištu zbog svojih prednosti u rezoluciji, kvaliteti, ponovljivosti i brzini. Osim toga, DED i EHDP mogu postići veću rezoluciju. Međutim, visoka cijena i niska stopa proizvodnje povezane s ovim procesima ograničavaju njihovu primjenu. Međutim, zbog svoje ograničene rezolucije, još uvijek imaju ograničenja u realizaciji malih visokopreciznih dijelova ili struktura.

U usporedbi s ovim metodama, Nanoscribeov 2PP može proizvesti minimalnu veličinu značajke od samo 100 nm. Prema istraživanjima, razvoj novih optičkih metoda doveo je do napretka procesa proizvodnje mikroaditiva, posebice procesa 3D printanja temeljenog na fotopolimerizaciji. Prema stručnjacima, upotrebom izvora svjetlosti s kraćim valnim duljinama (kao što su UV zrake) i lećama objektiva s višim NA (numeričkim otvorom blende) može se postići veća razlučivost - što je obično jedan od najistaknutijih izazova u mikro AM.

U usporedbi s drugim metodama koje se temelje na toplinskoj obradi i laminaciji, optička metoda čini vezu susjednih voksela jačom. Koraci naknadne obrade kao što je UV stvrdnjavanje također pomažu u poboljšanju kvalitete komponenti 3D ispisa. Konačno, u izvješću se navodi da zbog beskontaktnog načina između područja obrade i sustava rasvjete, laserska točka ili optički uzorak obrađenih sirovina može pomoći u poboljšanju stabilnosti i ponovljivosti.

Rekavši to, najpoznatiji proizvodni procesi mikro aditiva uključuju DLP i mikro stereo litografiju（ μ SLA), projekcijsku mikro stereo litografiju (P μ SL), dvofotonsku polimerizaciju (2PP ili TPP), proizvodnju metala temeljenu na litografiji ( LMM), elektrokemijsko taloženje i mikrorazmjerno selektivno lasersko sinteriranje (μ SLS).

Tehnologija projekcije izravnog svjetla (DLP).

DLP tehnologija može postići ponovljivu mikronsku rezoluciju kombiniranjem DLP-a s upotrebom prilagodljive optike. Jedna od glavnih razlika između SLA i SLA, koji se obično naziva vrlo sličnim, je ta što SLA treba koristiti laser za praćenje jednog sloja, dok DLP koristi projekcijski izvor svjetla za učvršćivanje cijelog sloja odjednom.

Mikro stereolitografija（μ SLA)

Također se temelji na fotoinduciranom slaganju slojeva, mikro stereo litografija (MPuSLA) koristi se za izradu fizičkih komponenti izlaganjem fotoosjetljive polimerne smole ultraljubičastom laseru.

Projekcijska mikro stereo litografija (P μ SL)

P μ SL je fotopolimerizacija visoke razlučivosti (do 0.6) koju pokreće projekcija područja μ m) Tehnologija 3D ispisa može proizvesti složene 3D arhitekture koje pokrivaju višestruka mjerila i materijale. Za strojeve koji se temelje na ovom procesu općenito se smatra da kombiniraju prednosti DLP i SLA tehnologija. Zbog svoje pristupačnosti, točnosti, brzine i mogućnosti obrade polimera, biomaterijala i keramike, proces se brzo razvio.

Proizvodnja metala temeljena na fotolitografiji

Nakon jednolike disperzije u fotoosjetljivoj smoli, metalni prah se zatim selektivno polimerizira izlaganjem plavom svjetlu. 3D printani zeleni dijelovi zatim se sinteriraju u peći kako bi se dobili gusti dijelovi.

Polimerizacija s dva fotona (2PP ili TPP)

Ovaj se postupak općenito smatra najpreciznijim od mikro 3D pisača. 2PP je izravna laserska metoda pisanja, koja može raditi na 3D i 2.5D mikrostrukturama bez skupe generacije maski i višestruke litografije. Može se reći da je 2PP iskoristio svoj puni potencijal između litografije bez maske i aditivne proizvodnje visoke preciznosti.

Prema razumijevanju tržišta 3D Science Valleya, 2PP je promovirao mikro proizvodnju dijelova na ravnim podlogama na razini pločica, na primjer, u područjima primjene optičkih vlakana, fotonskih čipova i mikrofluidnih kanala s unutarnjim brtvama.

2PP zahtijeva posebnu fotoosjetljivu smolu kako bi se olakšala obrada, postigla optimalna rezolucija i točnost oblika te bio prilagođen za različite primjene. Trenutačno je visokoprecizni 3D ispis temeljen na dvofotonskoj polimerizaciji vrlo prikladan za brzu izradu prototipa dizajna aplikacija, kao što su biomedicinska oprema, mikro optika, MEMS, mikrofluidna oprema, fotonsko pakiranje (kao što je PIC), projekti površinskog inženjeringa itd. Mogućnosti obrade pločica čine serijsku obradu i proizvodnju malih serija 3D mikro dijelova lakšom nego ikad prije.

Elektrokemijsko taloženje

Elektrokemijsko taloženje je rijetka tehnologija mikro 3D ispisa bez ikakve naknadne obrade. Ovaj postupak koristi malu mlaznicu koja se naziva ionski vrh i uranja je u potpornu kupku elektrolita. Regulirani tlak zraka gura tekućinu koja sadrži metalne ione kroz mikro kanal u ionskom vrhu. Na kraju mikrokanala, tekućina koja sadrži ione ispušta se na površinu za ispis. Otopljeni metalni ioni se zatim elektrotalože u čvrste metalne atome. Potonji zatim raste u veće građevne blokove (voksele) dok se dio ne formira.

Selektivno lasersko sinteriranje na mikroskali (μ SLS)

Ova aditivna proizvodnja temeljena na fuziji sloja praha, također poznata kao lasersko sinteriranje na mikronskoj razini (SLS), uključuje nanošenje sloja tinte metalnih nano čestica na supstrat, a zatim njegovo sušenje kako bi se stvorio jednolični sloj nano čestica. Laser je zatim sinterirao nanočestice u željeni uzorak. Zatim ponavljajte postupak dok se dio ne izradi.

Fascinantni mali dijelovi

S napretkom novih tehnologija obrade, kao što je dvofotonska litografija u sivoj skali (2GL) i kombinacija lasera veće snage i poboljšanog hardvera (kao što su pozornica i skener), promijenio se status quo mikro aditivne proizvodnje. Nasuprot tome, druge tradicionalnije tehnologije aditivne proizvodnje, kao što su DLP, SLA i projekcijska mikro stereo litografija (P μ SL) mogu proizvesti samo veće strukture, međutim, kada je u pitanju visoka razlučivost (<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="">

Prema promatranju tržišta 3D Science Valleya, Nanoscribe nudi novo industrijsko rješenje za pakiranje fotona s nedavno lansiranim Quantum X poravnanjem. Gubitak sprege smanjen je usklađivanjem polja moda na razini komponente, a ne na razini čipa. Visokoprecizni 3D ispis s nanopreciznim automatskim poravnavanjem promiče izravnu izradu mikro optičkih elemenata na fotonskim čipovima i jezgrama vlakana te izravan ispis mikrooptičkih elemenata slobodnog oblika ili difrakcijskih optičkih elemenata (DOE) na odgovarajućim mjestima, promičući tako optimalnu optičku sprezanje na fotonskim platformama.

Nanoscribeova vlastita dvofotonska litografija u sivim ljestvicama (2GL) značajno ubrzava visokopreciznu mikromašinsku obradu 2.5D struktura za optičke primjene, kao što su najveća točnost oblika i površine optičkog stupnja (Ra manje od ili jednako 5 nm). Kako bi dodatno proširio opseg proizvodnje, Nanoscribe je isprobao dvije pouzdane i provjerene strategije replikacije s EV Group i kdg opticom.

Kao i svaki drugi proces 3D ispisa, mikro 3D ispis omogućuje korisnicima da iskoriste slobodu dizajna. Jedan od izazova u području fotonske integracije, optičkog računalstva i podatkovne komunikacije je promicanje poravnanja i pakiranja fotonskih komponenti. Posebna rješenja za 3D ispis temeljena na hardveru i softveru mogu postići učinkovito spajanje niske razine osvjetljenja.

U usporedbi s istim dijelovima proizvedenim tradicionalnim proizvodnim procesom, brzina izrade malog dijela je fascinantna. S razvojem minijaturiziranih mikro proizvoda, mikro 3D ispis je primjenjiv u svim industrijama koje se bave malim i preciznim dijelovima. Tradicionalno, troškovi proizvodnje malih dijelova bili su visoki, dok mikroaditivna proizvodnja sada pruža jeftinija i jednostavnija rješenja.

Znati je duboko, ali činiti je daleko. Temeljen na globalnoj mreži stručnjaka za prerađivačku industriju, 3D Science Valley pruža industriji dubinsko promatranje aditivnih materijala i inteligentne proizvodnje iz globalne perspektive. Za više analiza o aditivnoj proizvodnji obratite pozornost na seriju bijelih knjiga koju je objavio 3D Science Valley.