Ieskats mikro 3D drukāšanā — unikāls ieskats piedevu ražošanas tehnoloģijā

Kopumā lielākā daļa inovāciju apstrādes rūpniecībā ir izstrādātas ap spēju ražot lielas 3D drukātas detaļas. Tomēr, pieaugot pieprasījumam pēc miniaturizētām iekārtām elektronikas, biotehnoloģijas, automobiļu un kosmosa jomā, cilvēki arvien vairāk interesējas par mikropiedevu ražošanas tehnoloģiju. Tātad, cik liels ir mazo detaļu tirgus? Šajā numurā, pamatojoties uz Nanoscribe biznesa attīstības vadītāja JRg Smolenski analīzi, 3D Science Valley un Guyou satiekas, lai izprastu mikro piedevu ražošanas tehnoloģiju pamatprincipus un dažādus veidus, kā arī mikropiedevu ražošanas galvenās priekšrocības. tehnoloģija, kas var palīdzēt tirgum virzīties uz priekšu, un jomas, kas jāuzlabo.

Mikro 3D drukas tehnoloģija

NanoScribe

Mazās pasaules neaizstājamā

Termins mikro piedevu ražošana parasti tiek lietots aizvietojot ar 3D mikro apstrādi vai augstas precizitātes piedevu ražošanu, taču patiesībā tie nav precīzi sinonīmi. Parasti piedevu ražošana vairāk attiecas uz rūpnieciskās ražošanas vidi, un 3D mikroapstrāde ir vispārīgs termins, kas apraksta visas metodes, piemēram, fotolitogrāfijas metodi, kas ir ļoti populāra un plaši izmantota MEMS ražošanā (tas ir milzīgs nobriedis tirgus, un metode ir ļoti nobriedis). Ir daudzas citas 3D mikroapstrādes metodes, piemēram, metodes mikrofluidikai, digitālās metodes, kuru pamatā ir elektronu staru litogrāfija utt.

Lai ilustrētu mikro piedevu ražošanas tehnoloģijas stāvokli, tiek pieņemts, ka 3D drukāšanā daļa vispirms tiek konstruēta un digitāli aprakstīta caur punktu masīvu, kur punkts (vokselis) apzīmē minimālo drukas vienību. Vokseļa izmērs svārstās no nanometra līdz makroskopiskam. Tāpēc mikro 3D drukāšanas procesā ir jāizmanto mikronu vai submikronu vokseļi, kas ir ļoti svarīgi mikroproduktu ražošanā. Tāpēc termins "mikro 3D druka" attiecas uz īpaši augstas precizitātes, sīku detaļu ražošanu, kuru formu nevar iegūt, izmantojot mikro iesmidzināšanas liešanas procesu un citus tradicionālos ražošanas procesus.

Saskaņā ar 3D Science Valley datiem 3D drukāšanas tehnoloģiju attīstībā ir divi dažādi virzieni, no kuriem viens ir lielformāta 3D drukas tehnoloģija. Vēl viena uzmanība tiek pievērsta mikroaspektam, tas ir, 3D drukas tehnoloģijai, kas spēj ražot precīzas un mikro ierīces. Mikro nano 3D drukāšana var radīt sarežģītas un smalkas ierīces, kas ir 3D drukas tehnoloģijas priekšrocību iemiesojums, vai arī apgāzīs precizitātes ierīču ražošanas nozari.

Mazs spēks maina pasauli! 3D Science Valley savulaik dalījās, ka mikronu līmeņa 3D drukas uzņēmuma Cytosurge pamattehnoloģijas nāk no ETH Cīrihes Tehnoloģiju universitātes. Pamatojoties uz patentēto FluidFM tehnoloģiju, tas izstrādā, ražo un pārdod inovatīvus augstas precizitātes nanotehnoloģiju metāla 3D printerus. Šī tehnoloģija ir šķidruma spēka mikroskopijas tehnoloģija, un tai ir daudz pielietojumu dzīvības zinātnēs un biofizikā.

Ķīnā nākotnes viedā 3D precīzas ražošanas tehnoloģija ar West Lake mikronu līmeņa precizitāti kompensēs tirgus atšķirību no simtiem nanometru līdz simtiem mikronu precīzajā apstrādē elektroniskajos un optiskajos laukos, integrējot metālu, keramiku, magnētiskos materiālus, polimērus, utt.

Kad daļa tiek mērīta līdz 5 mikronu slāņa biezumam un 2 mikronu izšķirtspējai viencipara mikrometros, tiek uzsākts mikro 3D drukas process. Interesanti, ka daži mikropiedevu ražošanas procesi var ražot komponentus, kas mērīti nanometros (nm), kas ir 1000 reižu mazāki par mikronu. Lai labāk vizualizētu, kāds ir šis mikroražošanas līmenis, piemēram, cilvēki parasti atceras, ka cilvēka matu vidējais platums ir 75 mikroni, bet cilvēka DNS pavedienu diametrs ir 2,5 nanometri.

Miniaturizācijā ļoti svarīga ir kopējo izmēru kontrole, un mikro 3D drukāšana var sasniegt miniaturizācijas "nākamo līmeni". Konkrēti, tādas lietojumprogrammas kā elektronika, optika, pusvadītāji, medicīniskās ierīces, medicīnas instrumenti, mikro iesmidzināšana, mikrofluidika un sensori ir jomas, kurās mikro 3D drukāšanai ir unikāla loma.

Piemēram, augstas precizitātes 3D biodrukāšanu var izmantot kā pielāgotu sastatņu audu inženierijai un šūnu pētniecībai, un tā ir piemērojama daudzām citām inovatīvām biomedicīnas mikrovidēm, kurām nepieciešama precizitāte, ātrums, materiālu daudzveidība un sterilitāte. 3D mikroapstrāde var padarīt dzīvības zinātnes pētījumus tuvāk reģeneratīvās medicīnas koncepcijai, lai ārstētu slimības šajā jomā. Piemēram, Bostonas universitātes zinātnieki ir izstrādājuši mīkstu un mehāniski aktīvu šūnu kultūras platformu, izmantojot mikrofluidisko mikroshēmu platformu, kas ražota ar divu fotonu polimerizāciju (2PP), lai pētītu miokarda audus pielāgojamā 3D mikrovidē. Šī šūnu kultūras platforma ļauj sirds audiem augt 3D vidē un var novērot to pašsavienošanos šūnu piestiprināšanas vietā uz mikroshēmas vertikālās sienas. Integrētais elektroniskais sensors mēra spēku, ko rada kultivētu sirds šūnu kontrakcija. Turklāt pētnieki mikroshēmā ir integrējuši mehānisku izpildmehānismu. Ar šo izpildmehānismu zinātnieki ir pētījuši pastāvīgas un dinamiskas mehāniskās slodzes ietekmi uz sirds audiem. Mēs varam sagaidīt daudzus citus aizraujošus mikro 3D drukas pielietojumus audu inženierijā, šūnu bioloģijā un reģeneratīvajā medicīnā.

Quantum X integrētā divu fotonu pelēko skalu litogrāfija (2GL) un tās pamata vokseļu regulēšanas tehnoloģija var radīt 2,5 D mikrostruktūras ar submikronu formas precizitāti un mazāku par 5 nm (Ra) virsmas raupjumu.

NanoScribe

Vispārīgi runājot, mēs uzskatām, ka 10 mikroni un mazāk ir mikropiedevu ražošana. Protams, ja tie visi ir 1-3 mikronu diapazonā, šī ir visprecīzākā mikro AM definīcija.

Tāpat kā vairāku veidu AM procesi, ir arī dažādi mikro AM procesi, tostarp: drošinātāju uzklāšana (FFD), tiešā tintes rakstīšana (DIW), tiešā enerģijas pārklāšana (DED), laminētu objektu izgatavošana (LOM), elektrohidrodinamiskā redoksdruka ( EHDP), pulvera slāņa kausēšana (PBF), fotopolimerizācijas 3D druka (P3DP) un lāzera ķīmiskā tvaiku pārklāšana (LCVD).

Mikro 3D drukas tehnoloģija

3D Zinātnes ielejas baltā grāmata

Uz sveķiem balstīts mikro 3D drukāšanas process šobrīd ir vispazīstamākais process tirgū, pateicoties tā priekšrocībām izšķirtspējā, kvalitātē, reproducējamībā un ātrumā. Turklāt DED un EHDP var sasniegt augstāku izšķirtspēju. Tomēr ar šiem procesiem saistītās augstās izmaksas un zemais ražošanas ātrums ierobežo to izmantošanu. Tomēr ierobežotās izšķirtspējas dēļ tiem joprojām ir ierobežojumi mazu augstas precizitātes detaļu vai konstrukciju realizācijā.

Salīdzinot ar šīm metodēm, Nanoscribe's 2PP var radīt minimālo objekta izmēru līdz 100 nm. Saskaņā ar pētījumiem jaunu optisko metožu izstrāde ir novedusi pie mikropiedevu ražošanas procesa progresa, īpaši 3D drukas procesa, kas balstīts uz fotopolimerizāciju. Pēc ekspertu domām, izmantojot gaismas avotus ar īsāku viļņu garumu (piemēram, UV stariem) un objektīvus ar lielāku NA (skaitliskā diafragma), var sasniegt augstāku izšķirtspēju, kas parasti ir viens no visredzamākajiem izaicinājumiem mikro AM.

Salīdzinot ar citām metodēm, kuru pamatā ir termiskā apstrāde un laminēšana, optiskā metode padara blakus esošo vokseļu savienojumu stiprāku. Pēcapstrādes darbības, piemēram, UV sacietēšana, arī palīdz uzlabot 3D drukas komponentu kvalitāti. Visbeidzot, ziņojumā teikts, ka, ņemot vērā bezkontakta ceļu starp apstrādes zonu un apgaismojuma sistēmu, apstrādāto izejvielu lāzera plankums vai optiskais raksts var palīdzēt uzlabot stabilitāti un atkārtojamību.

Tomēr vispazīstamākie mikropiedevu ražošanas procesi ietver DLP un mikro stereo litogrāfiju (μ SLA), projekcijas mikro stereo litogrāfiju (P μ SL), divu fotonu polimerizāciju (2PP vai TPP), metālu ražošanu uz litogrāfijas bāzes ( LMM), elektroķīmiskā pārklāšana un mikromēroga selektīva lāzera saķepināšana (μ SLS).

Tiešās gaismas projekcijas (DLP) tehnoloģija

DLP tehnoloģija var sasniegt atkārtojamu mikronu izšķirtspēju, apvienojot DLP ar adaptīvās optikas izmantošanu. Viena no galvenajām atšķirībām starp SLA un SLA, ko parasti sauc par ļoti līdzīgu, ir tā, ka SLA ir jāizmanto lāzers, lai izsekotu vienu slāni, savukārt DLP izmanto projekcijas gaismas avotu, lai vienlaikus nostiprinātu visu slāni.

Mikrostereolitogrāfija (μ SLA)

Pamatojoties arī uz fotoinducētu slāņu sakraušanu, mikro stereo litogrāfija (MPuSLA) tiek izmantota fizisko komponentu veidošanai, pakļaujot gaismjutīgus polimēru sveķus ultravioletā lāzera iedarbībai.

Projekcijas mikro stereo litogrāfija (P μ SL)

P μ SL ir augstas izšķirtspējas (līdz 0.6) fotopolimerizācija, ko izraisa laukuma projekcija μ m) 3D drukas tehnoloģija var radīt sarežģītas 3D arhitektūras, kas aptver vairākus mērogus un materiālus. Parasti tiek uzskatīts, ka mašīnas, kuru pamatā ir šis process, apvieno DLP un SLA tehnoloģiju priekšrocības. Pateicoties tā pieejamībai, precizitātei, ātrumam un spējai apstrādāt polimērus, biomateriālus un keramiku, process ir strauji attīstījies.

Metāla ražošana, kuras pamatā ir fotolitogrāfija

Pēc vienmērīgas izkliedes gaismjutīgajos sveķos metāla pulveris tiek selektīvi polimerizēts, pakļaujot zilai gaismai. Pēc tam 3D drukātās zaļās daļas tiek saķepinātas krāsnī, lai iegūtu blīvas daļas.

Divu fotonu polimerizācija (2PP vai TPP)

Šis process parasti tiek uzskatīts par visprecīzāko no mikro 3D printeriem. 2PP ir tiešā lāzera rakstīšanas metode, kas var strādāt ar 3D un 2,5D mikrostruktūrām bez dārgas maskas ģenerēšanas un vairāku litogrāfijas. Var teikt, ka 2PP ir pilnībā izmantojis savu potenciālu starp bezmasku litogrāfiju un augstas precizitātes piedevu ražošanu.

Saskaņā ar tirgus izpratni par 3D Science Valley, 2PP ir veicinājis detaļu mikroražošanu uz vafeļu līmeņa plakaniem substrātiem, piemēram, optisko šķiedru, fotonisko mikroshēmu un mikrofluidisko kanālu ar iekšējiem blīvējumiem pielietojuma jomās.

2PP ir nepieciešami īpaši gaismjutīgi sveķi, lai atvieglotu apstrādi, panāktu optimālu izšķirtspēju un formas precizitāti, kā arī būtu pielāgoti dažādiem lietojumiem. Pašlaik augstas precizitātes 3D druka, kuras pamatā ir divu fotonu polimerizācija, ir ļoti piemērota ātrai lietojumprogrammu dizaina prototipēšanai, piemēram, biomedicīnas aprīkojumam, mikrooptikai, MEMS, mikrofluidiskajam aprīkojumam, fotoniskajam iepakojumam (piemēram, PIC), virsmas inženierijas projektiem utt. Vafeļu apstrādes iespējas padara sērijveida apstrādi un nelielu 3D mikrodetaļu ražošanu vienkāršāku nekā jebkad agrāk.

Elektroķīmiskā nogulsnēšanās

Elektroķīmiskā uzklāšana ir reta mikro 3D drukas tehnoloģija bez jebkādas pēcapstrādes. Šajā procesā tiek izmantota maza drukas sprausla, ko sauc par jonu galu, un iegremdē to atbalsta elektrolīta vannā. Regulētais gaisa spiediens izspiež metālu jonus saturošo šķidrumu caur mikro kanālu jonu galā. Mikrokanāla beigās šķidrums, kas satur jonus, tiek izlaists uz drukas virsmas. Pēc tam izšķīdušie metālu joni tiek elektrodeponēti cietos metāla atomos. Pēdējais pēc tam pāraug lielākos blokos (vokseļos), līdz veidojas daļa.

Mikromēroga selektīvā lāzera saķepināšana (μ SLS)

Šī piedevu ražošana, kuras pamatā ir pulvera slāņa saplūšana, kas pazīstama arī kā mikronu līmeņa selektīva lāzera saķepināšana (SLS), ietver metāla nanodaļiņu tintes slāņa pārklāšanu uz substrāta un pēc tam žāvēšanu, lai izveidotu vienotu nanodaļiņu slāni. Pēc tam lāzers nanodaļiņas saķepināja vēlamajā modelī. Pēc tam atkārtojiet procesu, līdz daļa ir izveidota.

Aizraujošas mazas detaļas

Attīstoties jaunām apstrādes tehnoloģijām, piemēram, divu fotonu pelēko skalu litogrāfijai (2GL) un lielākas jaudas lāzeru un uzlabotas aparatūras (piemēram, skatuves un skenera) kombinācijai, mikropiedevu ražošanas status quo ir mainījies. Turpretim citas tradicionālākas piedevu ražošanas tehnoloģijas, piemēram, DLP, SLA un projekcijas mikrostereo litogrāfija (P μ SL), var ražot tikai lielākas struktūras, tomēr, ja runa ir par augstu izšķirtspēju (<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="">

Saskaņā ar 3D Science Valley tirgus novērojumiem Nanoscribe nodrošina jaunu rūpniecisku risinājumu fotonu iepakošanai ar nesen ieviesto Quantum X izlīdzināšanu. Savienojuma zudumi tiek samazināti, izmantojot režīma lauka saskaņošanu komponentu līmenī, nevis mikroshēmas līmenī. Augstas precizitātes 3D drukāšana ar nano precizitātes automātisko izlīdzināšanu veicina tiešu mikro optisko elementu izgatavošanu uz fotoniskām mikroshēmām un šķiedru serdeņiem, kā arī brīvas formas mikro optisko elementu vai difrakcijas optisko elementu (DOE) tiešu drukāšanu atbilstošās vietās, tādējādi veicinot optimālu optisko kvalitāti. sakabe uz fotoniskām platformām.

Nanoscribe patentētā divu fotonu pelēko skalu litogrāfija (2GL) ievērojami paātrina augstas precizitātes 2,5D struktūru mikroapstrādi optiskiem lietojumiem, piemēram, visaugstākās formas precizitātes un optiskās kvalitātes virsmām (Ra Mazāks vai vienāds ar 5 nm). Lai vēl vairāk paplašinātu ražošanas apjomu, Nanoscribe ir izmēģinājis divas uzticamas un pārbaudītas replikācijas stratēģijas ar EV Group un kdg opticom.

Tāpat kā jebkurš 3D drukāšanas process, arī mikro 3D druka ļauj tās lietotājiem gūt labumu no dizaina brīvības. Viens no izaicinājumiem fotoniskās integrācijas, optiskās skaitļošanas un datu komunikācijas jomā ir veicināt fotonisko komponentu izlīdzināšanu un iepakošanu. Īpaši 3D drukas risinājumi, kuru pamatā ir aparatūra un programmatūra, var nodrošināt efektīvu vāja apgaismojuma līmeņa savienojumu.

Salīdzinot ar tām pašām detaļām, kas ražotas tradicionālā ražošanas procesā, nelielas detaļas izgatavošanas ātrums ir aizraujošs. Izstrādājot miniatūrus mikroproduktus, mikro 3D drukāšana ir piemērojama visās nozarēs, kas nodarbojas ar mazām un precīzām detaļām. Tradicionāli mazu detaļu ražošanas izmaksas ir bijušas augstas, savukārt mikropiedevu ražošana tagad nodrošina lētākus un ērtāk lietojamus risinājumus.

Zināt ir dziļi, bet darīt ir tālu. Balstoties uz globālo ražošanas nozares ekspertu domnīcu tīklu, 3D Science Valley nodrošina nozarei padziļinātu piedevu materiālu un viedo ražošanas novērojumu no globālā perspektīvas. Lai iegūtu plašāku analīzi par piedevu ražošanu, lūdzu, pievērsiet uzmanību baltā papīra sērijai, ko izlaidusi 3D Science Valley.