Approfondimento sulla stampa micro 3D - Approfondimento unico sulla tecnologia di produzione additiva

In generale, la maggior parte delle innovazioni nell'industria manifatturiera sono sviluppate attorno alla capacità di produrre grandi parti stampate in 3D. Tuttavia, con la crescente domanda di apparecchiature miniaturizzate nei settori dell'elettronica, della biotecnologia, dell'automobile e dell'aerospazio, le persone sono sempre più interessate alla tecnologia di produzione del microadditivo. Quindi, quanto è grande il mercato dei piccoli componenti? In questo numero, sulla base dell'analisi di JRg Smolenski, il responsabile dello sviluppo aziendale di Nanoscribe, 3D Science Valley e Guyou si uniscono per comprendere i principi di base e i diversi tipi di tecnologia di produzione micro additiva, nonché i principali vantaggi della produzione micro additiva tecnologia che può aiutare il mercato ad andare avanti e le aree che devono essere migliorate.

Tecnologia di stampa micro 3D

NanoScribe

L'insostituibile del piccolo mondo

Il termine micro produzione additiva è solitamente usato in modo intercambiabile con micro lavorazione 3D o produzione additiva ad alta precisione, ma in realtà non sono sinonimi esatti. In generale, la produzione additiva si riferisce più all'ambiente di produzione industriale e la microelaborazione 3D è un termine generale che descrive tutti i metodi, come il metodo della fotolitografia che è molto popolare e ampiamente utilizzato nella produzione di MEMS (questo è un enorme mercato maturo e il metodo è molto maturo). Esistono molti altri metodi di microlavorazione 3D, come i metodi per la microfluidica, i metodi digitali basati sulla litografia a fascio di elettroni e così via.

Per illustrare lo stato della tecnologia di produzione micro additiva, si presume che nella stampa 3D, una parte venga prima costruita e descritta digitalmente attraverso un array di punti, dove un punto (voxel) rappresenta un'unità di stampa minima. La dimensione dei voxel varia da nanometrica a macroscopica. Pertanto, il processo di stampa micro 3D richiede l'uso di micron o submicron voxel, che è fondamentale per la produzione di micro prodotti. Pertanto, il termine "stampa micro 3D" si riferisce alla produzione di parti minuscole e di altissima precisione la cui forma non può essere ottenuta utilizzando il processo di micro stampaggio a iniezione e altri tipi di processi di produzione tradizionali.

Secondo 3D Science Valley, ci sono due diversi obiettivi nello sviluppo della tecnologia di stampa 3D, uno dei quali è la tecnologia di stampa 3D di grande formato. Un altro focus è sull'aspetto micro, ovvero la tecnologia di stampa 3D in grado di produrre precisione e micro dispositivi. La stampa micro nano 3D può produrre dispositivi complessi e raffinati, che è l'incarnazione dei vantaggi della tecnologia di stampa 3D, o capovolgerà l'industria manifatturiera dei dispositivi di precisione.

Il piccolo potere sta cambiando il mondo! 3D Science Valley una volta ha condiviso che la tecnologia di base della società di stampa 3D a livello di micron Cytosurge proviene dall'ETH Zurich University of Technology. Sulla base della sua tecnologia brevettata FluidFM, sviluppa, produce e vende innovative stampanti 3D in metallo nanotecnologico ad alta precisione. Questa tecnologia rappresenta la tecnologia della microscopia a forza fluida e ha molte applicazioni nelle scienze della vita e nella biofisica.

In Cina, la futura tecnologia di produzione di precisione 3D intelligente con precisione a livello di micron di West Lake colmerà il divario di mercato da centinaia di nanometri a centinaia di micron nella lavorazione di precisione in campi elettronici e ottici integrando metallo, ceramica, materiali magnetici, polimeri, eccetera.

Quando la parte viene misurata con uno spessore dello strato di 5 micron e una risoluzione di 2 micron in micrometri a una cifra, viene avviato il processo di micro stampa 3D. È interessante notare che alcuni processi di produzione micro additiva possono produrre componenti misurati in nanometri (nm), 1000 volte più piccoli di un micron. Per visualizzare meglio com'è questo livello di microproduzione, ad esempio, le persone di solito ricordano che la larghezza media dei capelli umani è di 75 micron, mentre il diametro dei filamenti di DNA umano è di 2,5 nanometri.

Nella miniaturizzazione, il controllo delle dimensioni complessive è fondamentale e la stampa micro 3D può raggiungere "il livello successivo" di miniaturizzazione. Nello specifico, applicazioni come elettronica, ottica, semiconduttori, dispositivi medici, strumenti medici, micro stampaggio a iniezione, microfluidica e sensori sono i campi in cui la micro stampa 3D gioca un ruolo unico.

Ad esempio, la biostampa 3D ad alta precisione può essere utilizzata come un'impalcatura personalizzata per l'ingegneria dei tessuti e la ricerca cellulare ed è applicabile a molti altri microambienti biomedici innovativi che richiedono precisione, velocità, diversità dei materiali e sterilità. La microelaborazione 3D può rendere la ricerca scientifica più vicina al concetto di medicina rigenerativa per curare le malattie in questo campo. Ad esempio, gli scienziati della Boston University hanno sviluppato una piattaforma di coltura cellulare morbida e meccanicamente attiva attraverso la piattaforma di chip microfluidici prodotta dalla polimerizzazione a due fotoni (2PP) per studiare il tessuto miocardico in un microambiente 3D personalizzabile. Questa piattaforma di coltura cellulare consente al tessuto cardiaco di crescere in un ambiente 3D e può osservarne l'autoassemblaggio nel sito di attacco cellulare sulla parete verticale del chip. Il sensore elettronico integrato misura la forza generata dalla contrazione delle cellule cardiache in coltura. Inoltre, i ricercatori hanno integrato un attuatore meccanico nel chip. Con questo attuatore, gli scienziati hanno studiato gli effetti della sollecitazione meccanica costante e dinamica sul tessuto cardiaco. Possiamo aspettarci molte altre interessanti applicazioni della stampa micro 3D nell'ingegneria dei tessuti, nella biologia cellulare e nella medicina rigenerativa.

La litografia in scala di grigi a due fotoni (2GL) integrata di Quantum X e la sua tecnologia di base per l'ottimizzazione dei voxel possono produrre microstrutture 2.5D con un'accuratezza della forma submicronica e una rugosità superficiale inferiore a 5 nm (Ra).

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In generale, riteniamo che 10 micron e meno siano produzione micro additiva. Naturalmente, se tutti questi sono nell'intervallo di 1-3 micron, questa è la definizione più accurata di micro AM.

Come molti tipi di processi AM, esistono anche vari tipi di processi micro AM, tra cui: deposizione di fusibili (FFD), scrittura diretta dell'inchiostro (DIW), deposizione diretta di energia (DED), produzione di oggetti laminati (LOM), stampa elettroidrodinamica redox ( EHDP), fusione su letto di polvere (PBF), stampa 3D basata sulla fotopolimerizzazione (P3DP) e deposizione di vapore chimico laser (LCVD).

Tecnologia di stampa micro 3D

Libro bianco 3D Science Valley

Il processo di stampa micro 3D a base di resina è attualmente il processo più riconosciuto sul mercato grazie ai suoi vantaggi in termini di risoluzione, qualità, riproducibilità e velocità. Inoltre, DED ed EHDP possono ottenere una risoluzione maggiore. Tuttavia, il costo elevato e il basso tasso di produzione associati a questi processi ne limitano l'applicazione. Tuttavia, a causa della loro risoluzione limitata, hanno ancora dei limiti nella realizzazione di piccole parti o strutture ad alta precisione.

Rispetto a questi metodi, 2PP di Nanoscribe può produrre una dimensione minima di 100 nm. Secondo la ricerca, lo sviluppo di nuovi metodi ottici ha portato al progresso del processo di produzione micro additiva, in particolare il processo di stampa 3D basato sulla fotopolimerizzazione. Secondo gli esperti, l'utilizzo di sorgenti luminose con lunghezze d'onda più brevi (come i raggi UV) e obiettivi con NA (apertura numerica) più elevati può ottenere una risoluzione più elevata, che di solito è una delle sfide più importanti nel micro AM.

Rispetto ad altri metodi basati sul trattamento termico e sulla laminazione, il metodo ottico rende più forte la connessione dei voxel adiacenti. Le fasi di post-elaborazione come la polimerizzazione UV aiutano anche a migliorare la qualità dei componenti di stampa 3D. Infine, il rapporto afferma che, a causa del passaggio senza contatto tra l'area di lavorazione e il sistema di illuminazione, lo spot laser o il pattern ottico delle materie prime lavorate possono aiutare a migliorare la stabilità e la ripetibilità.

Detto questo, i processi di produzione di micro additivo più noti includono DLP e micro stereo litografia (μ SLA), micro stereo litografia a proiezione (P μ SL), polimerizzazione a due fotoni (2PP o TPP), produzione di metalli basata sulla litografia ( LMM), deposizione elettrochimica e sinterizzazione laser selettiva su microscala (μ SLS).

Tecnologia a proiezione diretta della luce (DLP).

La tecnologia DLP può ottenere una risoluzione micron ripetibile combinando DLP con l'uso dell'ottica adattiva. Una delle principali differenze tra SLA e SLA, che di solito è chiamata molto simile, è che SLA deve utilizzare il laser per tracciare uno strato, mentre DLP utilizza una sorgente di luce di proiezione per solidificare l'intero strato alla volta.

Micro stereolitografia (μ SLA)

Basata anche sull'impilamento di strati fotoindotto, la micro litografia stereo (MPuSLA) viene utilizzata per costruire componenti fisici esponendo la resina polimerica fotosensibile al laser ultravioletto.

Litografia micro stereo a proiezione (P μ SL)

P μ SL è una fotopolimerizzazione ad alta risoluzione (fino a 0.6) attivata dalla proiezione dell'area μ m) La tecnologia di stampa 3D può produrre architetture 3D complesse che coprono più scale e materiali. Le macchine basate su questo processo sono generalmente considerate in grado di combinare i vantaggi delle tecnologie DLP e SLA. Grazie alla sua convenienza, precisione, velocità e capacità di elaborare polimeri, biomateriali e ceramiche, il processo si è sviluppato rapidamente.

Lavorazione dei metalli basata sulla fotolitografia

Dopo una dispersione uniforme nella resina fotosensibile, la polvere di metallo viene quindi polimerizzata selettivamente mediante esposizione alla luce blu. Le parti verdi stampate in 3D vengono quindi sinterizzate nella fornace per ottenere parti dense.

Polimerizzazione a due fotoni (2PP o TPP)

Questo processo è generalmente considerato il più accurato delle stampanti micro 3D. 2PP è un metodo di scrittura laser diretta, che può funzionare su microstrutture 3D e 2.5D senza costose generazione di maschere e litografia multipla. Si può dire che 2PP ha giocato tutto il suo potenziale tra litografia senza maschera e produzione additiva ad alta precisione.

Secondo la comprensione del mercato di 3D Science Valley, 2PP ha promosso la microproduzione di parti su substrati planari a livello di wafer, ad esempio, nei campi di applicazione di fibre ottiche, chip fotonici e canali microfluidici con guarnizioni interne.

2PP richiede una speciale resina fotosensibile per facilitare l'elaborazione, ottenere una risoluzione e un'accuratezza della forma ottimali ed essere adattata per diverse applicazioni. Allo stato attuale, la stampa 3D ad alta precisione basata sulla polimerizzazione a due fotoni è molto adatta per la prototipazione rapida del design di applicazioni, come apparecchiature biomediche, micro ottiche, MEMS, apparecchiature microfluidici, imballaggi fotonici (come PIC), progetti di ingegneria delle superfici, ecc. Le capacità di elaborazione dei wafer rendono l'elaborazione in batch e la produzione in piccoli lotti di micro parti 3D più semplici che mai.

Deposizione elettrochimica

La deposizione elettrochimica è una rara tecnologia di stampa micro 3D senza alcuna post-elaborazione. Questo processo utilizza un piccolo ugello di stampa chiamato punta ionica e lo immerge in un bagno elettrolitico di supporto. La pressione dell'aria regolata spinge il liquido contenente ioni metallici attraverso il microcanale nella punta ionica. Al termine del microcanale, il liquido contenente ioni viene rilasciato sulla superficie di stampa. Gli ioni metallici disciolti vengono quindi elettrodepositati in atomi di metallo solido. Quest'ultimo poi cresce in blocchi costitutivi più grandi (voxel) fino a formare la parte.

Sinterizzazione laser selettiva su microscala (μ SLS)

Questa produzione additiva basata sulla fusione a letto di polvere, nota anche come sinterizzazione laser selettiva a livello di micron (SLS), prevede il rivestimento di uno strato di inchiostro di nanoparticelle metalliche sul substrato e quindi l'essiccazione per generare uno strato di nanoparticelle uniforme. Il laser ha quindi sinterizzato le nanoparticelle nel modello desiderato. Quindi ripetere il processo fino a creare la parte.

Piccole parti affascinanti

Con il progresso delle nuove tecnologie di elaborazione, come la litografia in scala di grigi a due fotoni (2GL) e la combinazione di laser di potenza superiore e hardware migliorato (come palco e scanner), lo status quo della produzione micro additiva è cambiato. Al contrario, altre tecnologie di produzione additiva più tradizionali, come DLP, SLA e micro stereo litografia a proiezione (P μ SL) possono produrre solo strutture più grandi, tuttavia, quando si tratta di alta risoluzione (<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="">

Secondo l'osservazione del mercato di 3D Science Valley, Nanoscribe fornisce una nuova soluzione industriale per il confezionamento di fotoni con Quantum X align, lanciato di recente. La perdita di accoppiamento viene ridotta grazie alla corrispondenza del campo modale a livello di componente anziché a livello di chip. La stampa 3D ad alta precisione con allineamento automatico di nano precisione promuove la fabbricazione diretta di micro elementi ottici su chip fotonici e nuclei di fibra e la stampa diretta di micro elementi ottici a forma libera o elementi ottici diffrattivi (DOE) in posizioni appropriate, promuovendo così un'ottica ottimale accoppiamento su piattaforme fotoniche.

La litografia in scala di grigi a due fotoni (2GL) proprietaria di Nanoscribe accelera notevolmente la microlavorazione ad alta precisione di strutture 2.5D per applicazioni ottiche, come la massima precisione di forma e superfici di qualità ottica (Ra inferiore o uguale a 5 nm). Per espandere ulteriormente la scala di produzione, Nanoscribe ha provato due strategie di replica affidabili e collaudate con EV Group e kdg opticom.

Come qualsiasi processo di stampa 3D, la stampa micro 3D consente ai suoi utenti di beneficiare della libertà di progettazione. Una delle sfide nel campo dell'integrazione fotonica, del calcolo ottico e della comunicazione dei dati consiste nel promuovere l'allineamento e il confezionamento dei componenti fotonici. Soluzioni di stampa 3D speciali basate su hardware e software possono ottenere un accoppiamento efficiente a basso livello di luce.

Rispetto alle stesse parti prodotte dal processo di produzione tradizionale, la velocità di produzione di una piccola parte è affascinante. Con lo sviluppo di micro prodotti miniaturizzati, la stampa micro 3D è applicabile a tutte le industrie che si occupano di parti piccole e di precisione. Tradizionalmente, il costo di produzione di piccole parti è stato elevato, mentre la produzione micro additiva ora fornisce soluzioni più economiche e facili da usare.

Conoscere è profondo, ma fare è lontano. Basato sulla rete globale di esperti dell'industria manifatturiera, 3D Science Valley offre al settore un'osservazione approfondita dei materiali additivi e della produzione intelligente da una prospettiva globale. Per ulteriori analisi sulla produzione additiva, prestare attenzione alla serie di white paper pubblicata da 3D Science Valley.