Inzicht in micro-3D-printen - uniek inzicht in additieve productietechnologie

Over het algemeen worden de meeste innovaties in de maakindustrie ontwikkeld rond de mogelijkheid om grote 3D-geprinte onderdelen te produceren. Met de groeiende vraag naar geminiaturiseerde apparatuur op het gebied van elektronica, biotechnologie, auto's en ruimtevaart, zijn mensen echter steeds meer geïnteresseerd in de productietechnologie van micro-additieven. Dus, hoe groot is de markt voor kleine onderdelen? In dit nummer, gebaseerd op de analyse van JRg Smolenski, komen de business development manager van Nanoscribe, 3D Science Valley en Guyou samen om de basisprincipes en verschillende soorten micro-additieve productietechnologie te begrijpen, evenals de belangrijkste voordelen van micro-additieve productie. technologie die de markt vooruit kan helpen en de gebieden die verbeterd moeten worden.

Micro 3D-printtechnologie

NanoScribe

Het onvervangbare van de kleine wereld

De term micro-additieve fabricage wordt meestal door elkaar gebruikt met 3D-microbewerking of zeer nauwkeurige additieve fabricage, maar in feite zijn het geen exacte synoniemen. Over het algemeen verwijst additieve productie meer naar de industriële productieomgeving, en 3D-microverwerking is een algemene term die alle methoden beschrijft, zoals de fotolithografiemethode die erg populair is en veel wordt gebruikt in MEMS-productie (dit is een enorme volwassen markt, en de methode is erg volwassen). Er zijn veel andere 3D-microbewerkingsmethoden, zoals methoden voor microfluïdica, digitale methoden op basis van elektronenstraallithografie, enzovoort.

Om de status van micro-additieve fabricagetechnologie te illustreren, wordt aangenomen dat bij 3D-printen een onderdeel eerst wordt geconstrueerd en digitaal wordt beschreven via een puntarray, waarbij een punt (voxel) een minimale afdrukeenheid vertegenwoordigt. Voxelgrootte varieert van nanometer tot macroscopisch. Daarom vereist het micro-3D-printproces het gebruik van micron- of submicron-voxels, wat cruciaal is voor de productie van microproducten. Daarom verwijst de term "micro-3D-printen" naar de vervaardiging van uiterst nauwkeurige, kleine onderdelen waarvan de vorm niet kan worden bereikt met behulp van een micro-spuitgietproces en andere soorten traditionele productieprocessen.

Volgens 3D Science Valley zijn er twee verschillende aandachtspunten bij de ontwikkeling van 3D-printtechnologie, waaronder grootformaat 3D-printtechnologie. Een andere focus ligt op het micro-aspect, dat wil zeggen, 3D-printtechnologie die in staat is om precisie- en micro-apparaten te vervaardigen. Micro nano 3D-printen kan complexe en fijne apparaten produceren, wat de belichaming is van de voordelen van 3D-printtechnologie, of zal de industrie voor de productie van precisie-apparaten omverwerpen.

Kleine macht verandert de wereld! 3D Science Valley deelde ooit dat de kerntechnologie van het 3D-printbedrijf Cytosurge op micronniveau afkomstig is van de ETH Zürich University of Technology. Op basis van de gepatenteerde FluidFM-technologie ontwikkelt, produceert en verkoopt het innovatieve, zeer nauwkeurige 3D-metaalprinters met nanotechnologie. Deze technologie staat voor vloeistofkrachtmicroscopietechnologie en heeft veel toepassingen in de biowetenschappen en biofysica.

In China zal de toekomstige slimme 3D-precisieproductietechnologie met een nauwkeurigheid op micronniveau van West Lake de marktkloof van honderden nanometers tot honderden microns opvullen in precisiebewerking in elektronische en optische velden door metaal, keramiek, magnetische materialen, polymeren, enz.

Wanneer het onderdeel wordt gemeten tot een laagdikte van 5 micron en een resolutie van 2 micron in eencijferige micrometer, wordt het micro 3D-printproces gestart. Interessant is dat sommige microadditieve fabricageprocessen componenten kunnen produceren die zijn gemeten in nanometers (nm), 1000 keer kleiner dan een micron. Om bijvoorbeeld beter te visualiseren hoe dit niveau van microfabricage is, herinneren mensen zich meestal dat de gemiddelde breedte van menselijk haar 75 micron is, terwijl de diameter van menselijke DNA-strengen 2,5 nanometer is.

Bij miniaturisatie is de controle van de totale afmetingen cruciaal, en micro-3D-printen kan "het volgende niveau" van miniaturisatie bereiken. Specifiek zijn toepassingen zoals elektronica, optica, halfgeleiders, medische apparaten, medische hulpmiddelen, micro-spuitgieten, microfluïdica en sensoren de gebieden waar micro-3D-printen een unieke rol speelt.

Zo kan 3D-bioprinten met hoge precisie worden gebruikt als een op maat gemaakte steiger voor weefselengineering en celonderzoek, en is het toepasbaar op vele andere innovatieve biomedische micro-omgevingen die precisie, snelheid, materiaaldiversiteit en steriliteit vereisen. 3D-microverwerking kan life science-onderzoek dichter bij het concept van regeneratieve geneeskunde brengen om ziekten op dit gebied te behandelen. Wetenschappers van de Boston University hebben bijvoorbeeld een zacht en mechanisch actief celcultuurplatform ontwikkeld via het microfluïdische chipplatform vervaardigd door twee-fotonpolymerisatie (2PP) om myocardweefsel te bestuderen in een aanpasbare 3D-micro-omgeving. Met dit celcultuurplatform kan hartweefsel groeien in een 3D-omgeving en kan het zijn zelfassemblage observeren op de celbevestigingsplaats op de verticale wand van de chip. De geïntegreerde elektronische sensor meet de kracht die wordt gegenereerd door de samentrekking van gekweekte hartcellen. Daarnaast hebben onderzoekers een mechanische actuator in de chip geïntegreerd. Met deze actuator hebben wetenschappers de effecten van constante en dynamische mechanische belasting op hartweefsel bestudeerd. We kunnen nog vele andere spannende toepassingen van micro-3D-printen in weefseltechnologie, celbiologie en regeneratieve geneeskunde verwachten.

Quantum X's geïntegreerde twee-foton grijsschaal lithografie (2GL) en zijn basis voxel tuning technologie kunnen 2.5D microstructuren produceren met submicron vormnauwkeurigheid en minder dan 5 nm (Ra) oppervlakteruwheid.

NanoScribe

Over het algemeen zijn we van mening dat 10 micron en minder micro-additieve fabricage zijn. Als deze allemaal binnen het bereik van 1-3 micron liggen, is dit natuurlijk de meest nauwkeurige definitie van micro AM.

Net als verschillende soorten AM-processen, zijn er ook verschillende soorten micro AM-processen, waaronder: fuse deposition (FFD), direct ink writing (DIW), direct energy deposition (DED), gelamineerde objectproductie (LOM), elektrohydrodynamisch redoxprinten ( EHDP), poederbedsmelten (PBF), 3D-printen op basis van fotopolymerisatie (P3DP) en laserchemical vapour deposition (LCVD).

Micro 3D-printtechnologie

3D Science Valley-witboek

Op hars gebaseerd micro 3D-printproces is momenteel het meest erkende proces op de markt vanwege de voordelen op het gebied van resolutie, kwaliteit, reproduceerbaarheid en snelheid. Bovendien kunnen DED en EHDP een hogere resolutie bereiken. De hoge kosten en lage fabricagesnelheid die met deze processen gepaard gaan, beperken echter de toepassing ervan. Door hun beperkte resolutie hebben ze echter nog steeds beperkingen bij het realiseren van kleine, zeer nauwkeurige onderdelen of constructies.

Vergeleken met deze methoden kan Nanoscribe's 2PP een minimale feature size van slechts 100 nm produceren. Volgens onderzoek heeft de ontwikkeling van nieuwe optische methoden geleid tot de vooruitgang van het fabricageproces van microadditieven, met name het 3D-printproces op basis van fotopolymerisatie. Volgens experts kan het gebruik van lichtbronnen met kortere golflengten (zoals UV-stralen) en objectieflenzen met een hogere NA (numerieke opening) een hogere resolutie bereiken - wat meestal een van de meest prominente uitdagingen is in micro AM.

Vergeleken met andere methoden op basis van warmtebehandeling en laminering, maakt de optische methode de verbinding van aangrenzende voxels sterker. Nabewerkingsstappen zoals UV-uitharding helpen ook om de kwaliteit van 3D-printcomponenten te verbeteren. Ten slotte stelt het rapport dat door de contactloze manier tussen het verwerkingsgebied en het verlichtingssysteem, de laserspot of het optische patroon van de verwerkte grondstoffen kan helpen om de stabiliteit en herhaalbaarheid te verbeteren.

Dat gezegd hebbende, omvatten de meest bekende productieprocessen van microadditief DLP en microstereolithografie（ μ SLA), projectie microstereolithografie (P μ SL), twee-fotonpolymerisatie (2PP of TPP), op lithografie gebaseerde metaalproductie ( LMM), elektrochemische depositie en selectieve lasersintering op microschaal（ μ SLS).

Directe lichtprojectie (DLP)-technologie

DLP-technologie kan een herhaalbare micronresolutie bereiken door DLP te combineren met het gebruik van adaptieve optica. Een van de belangrijkste verschillen tussen SLA en SLA, die meestal erg op elkaar lijken, is dat SLA laser moet gebruiken om één laag te volgen, terwijl DLP een projectielichtbron gebruikt om de hele laag tegelijk te stollen.

Micro stereolithografie（ μ SLA)

Ook gebaseerd op foto-geïnduceerde laagstapeling, wordt microstereolithografie (MPuSLA) gebruikt om fysieke componenten te bouwen door lichtgevoelige polymeerhars bloot te stellen aan ultraviolette laser.

Projectie micro stereo lithografie (P μ SL)

P μ SL is een fotopolymerisatie met hoge resolutie (tot 0,6) die wordt geactiveerd door gebiedsprojectie μ m) 3D-printtechnologie kan complexe 3D-architecturen produceren die meerdere schalen en materialen omvatten. Over het algemeen wordt aangenomen dat machines die op dit proces zijn gebaseerd, de voordelen van DLP- en SLA-technologieën combineren. Vanwege de betaalbaarheid, nauwkeurigheid, snelheid en het vermogen om polymeren, biomaterialen en keramiek te verwerken, heeft het proces zich snel ontwikkeld.

Metaalproductie op basis van fotolithografie

Na uniforme dispersie in de fotogevoelige hars wordt het metaalpoeder vervolgens selectief gepolymeriseerd door blootstelling aan blauw licht. De 3D-geprinte groene delen worden vervolgens in de oven gesinterd om dichte delen te verkrijgen.

Twee fotonpolymerisatie (2PP of TPP)

Dit proces wordt algemeen beschouwd als de meest nauwkeurige micro-3D-printer. 2PP is een directe laserschrijfmethode die kan werken op 3D- en 2.5D-microstructuren zonder dure maskergeneratie en meervoudige lithografie. Er kan worden gezegd dat 2PP zijn volledige potentieel heeft benut tussen maskerloze lithografie en zeer nauwkeurige additieve fabricage.

Volgens het marktbegrip van 3D Science Valley heeft 2PP de microfabricage van onderdelen op vlakke substraten op waferniveau gepromoot, bijvoorbeeld in de toepassingsgebieden van optische vezels, fotonische chips en microfluïdische kanalen met interne afdichtingen.

2PP vereist speciale lichtgevoelige hars om de verwerking te vergemakkelijken, een optimale resolutie en vormnauwkeurigheid te bereiken en te worden afgestemd op verschillende toepassingen. Op dit moment is zeer nauwkeurig 3D-printen op basis van twee-fotonpolymerisatie zeer geschikt voor snelle prototyping van applicatieontwerp, zoals biomedische apparatuur, micro-optica, MEMS, microfluïdische apparatuur, fotonische verpakkingen (zoals PIC), oppervlakte-engineeringprojecten, enz. Waferverwerkingsmogelijkheden maken batchverwerking en kleine batchproductie van 3D-microonderdelen eenvoudiger dan ooit tevoren.

Elektrochemische afzetting:

Elektrochemische depositie is een zeldzame micro-3D-printtechnologie zonder enige nabewerking. Dit proces maakt gebruik van een klein mondstuk, een ionenpunt genaamd, en dompelt het onder in een ondersteunend elektrolytbad. De gereguleerde luchtdruk duwt de vloeistof met metaalionen door het microkanaal in de ionentip. Aan het einde van het microkanaal komt de vloeistof met ionen vrij op het printoppervlak. De opgeloste metaalionen worden vervolgens elektrolytisch afgezet in vaste metaalatomen. Deze laatste groeit dan uit tot grotere bouwstenen (voxels) totdat het onderdeel is gevormd.

Selectieve lasersintering op microschaal（ μ SLS)

Deze additieve fabricage op basis van poederbedfusie, ook wel micronniveau selectieve lasersintering (SLS) genoemd, omvat het coaten van een laag metalen nanodeeltjesinkt op het substraat en het vervolgens drogen om een ​​uniforme nanodeeltjeslaag te genereren. De laser sinterde vervolgens de nanodeeltjes in het gewenste patroon. Herhaal vervolgens het proces totdat het onderdeel is gemaakt.

Fascinerende kleine onderdelen

Met de vooruitgang van nieuwe verwerkingstechnologieën, zoals twee-foton-grijswaardenlithografie (2GL) en de combinatie van lasers met een hoger vermogen en verbeterde hardware (zoals een podium en scanner), is de status-quo van micro-additieve fabricage veranderd. Daarentegen kunnen andere, meer traditionele additieve fabricagetechnologieën, zoals DLP, SLA en projectie microstereolithografie (P μ SL), alleen grotere structuren produceren als het gaat om hoge resolutie (<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="">

Volgens de marktobservatie van 3D Science Valley biedt Nanoscribe een nieuwe industriële oplossing voor fotonverpakkingen met de onlangs gelanceerde Quantum X-align. Het koppelingsverlies wordt verminderd door modusveldaanpassing op componentniveau in plaats van op chipniveau. Hoge precisie 3D-printen met nano-precisie automatische uitlijning bevordert de directe fabricage van micro-optische elementen op fotonische chips en vezelkernen, en het direct printen van vrije-vorm micro-optische elementen of diffractieve optische elementen (DOE) op geschikte locaties, waardoor optimale optische koppeling op fotonische platforms.

Nanoscribe's eigen twee-foton grijsschaallithografie (2GL) versnelt de zeer nauwkeurige microbewerking van 2,5D-structuren voor optische toepassingen aanzienlijk, zoals de hoogste vormnauwkeurigheid en optische kwaliteit oppervlakken (Ra kleiner dan of gelijk aan 5 nm). Om de productieschaal verder uit te breiden, heeft Nanoscribe twee betrouwbare en bewezen replicatiestrategieën uitgeprobeerd met EV Group en kdg opticom.

Zoals bij elk 3D-printproces kunnen gebruikers met micro-3D-printen profiteren van de vrijheid van ontwerp. Een van de uitdagingen op het gebied van fotonische integratie, optisch computergebruik en datacommunicatie is het bevorderen van de uitlijning en verpakking van fotonische componenten. Speciale 3D-printoplossingen op basis van hardware en software kunnen een efficiënte koppeling met een laag lichtniveau bereiken.

Vergeleken met dezelfde onderdelen die volgens een traditioneel productieproces zijn vervaardigd, is de snelheid waarmee een klein onderdeel wordt vervaardigd fascinerend. Met de ontwikkeling van geminiaturiseerde microproducten is micro 3D-printen toepasbaar in alle industrieën die te maken hebben met kleine en precisieonderdelen. Traditioneel waren de productiekosten van kleine onderdelen hoog, terwijl microadditieve fabricage nu goedkopere en gebruiksvriendelijkere oplossingen biedt.

Weten is diep, maar doen is ver. Gebaseerd op het wereldwijde denktanknetwerk van experts van de maakindustrie, biedt 3D Science Valley de industrie diepgaande observatie van additieve materialen en intelligente productie vanuit een mondiaal perspectief. Voor meer analyse van additive manufacturing kunt u de whitepaper-serie van 3D Science Valley raadplegen.