Insight Into Micro 3D Printing - תובנה ייחודית לטכנולוגיית ייצור תוסף

באופן כללי, רוב החידושים בתעשיית הייצור מפותחים סביב היכולת לייצר חלקים גדולים מודפסים בתלת מימד. עם זאת, עם הביקוש הגובר לציוד ממוזער בתחומי האלקטרוניקה, הביוטכנולוגיה, הרכב והחלל, אנשים מתעניינים יותר ויותר בטכנולוגיית הייצור של תוסף מיקרו. אז, כמה גדול השוק של חלקים קטנים? בגיליון זה, בהתבסס על הניתוח של JRg Smolenski, מנהל הפיתוח העסקי של Nanoscribe, 3D Science Valley ו-Guyou מתכנסים כדי להבין את העקרונות הבסיסיים וסוגים שונים של טכנולוגיית ייצור מיקרו תוספים, כמו גם את היתרונות העיקריים של ייצור מיקרו תוספים טכנולוגיה שיכולה לעזור לשוק להתקדם ולתחומים שצריך לשפר.

טכנולוגיית הדפסת מיקרו תלת מימד

NanoScribe

הבלתי ניתן להחלפה של העולם הזעיר

המונח ייצור תוסף מיקרו משמש בדרך כלל לסירוגין עם עיבוד מיקרו 3D או ייצור תוסף בעל דיוק גבוה, אך למעשה, הם אינם מילים נרדפות מדויקות. באופן כללי, ייצור תוסף מתייחס יותר לסביבת הייצור התעשייתי, ועיבוד מיקרו תלת מימדי הוא מונח כללי המתאר את כל השיטות, כמו שיטת הפוטוליתוגרפיה שהיא מאוד פופולרית ונמצאת בשימוש נרחב בייצור MEMS (זהו שוק בוגר ענק, והשיטה מאוד בוגר). ישנן שיטות רבות אחרות של מיקרו-עיבוד 3D, כגון שיטות למיקרופלואידיקה, שיטות דיגיטליות המבוססות על ליתוגרפיה של אלומת אלקטרונים וכו'.

על מנת להמחיש את מצבה של טכנולוגיית ייצור מיקרו תוספים, ההנחה היא שבהדפסת תלת מימד נבנה תחילה חלק ומתואר באופן דיגיטלי באמצעות מערך נקודות, כאשר נקודה (voxel) מייצגת יחידת הדפסה מינימלית. גודל הווקסל נע בין ננומטר למקרוסקופי. לכן, תהליך הדפסת מיקרו 3D מצריך שימוש בווקסלים של מיקרון או תת-מיקרון, שהוא חיוני לייצור מוצרי מיקרו. לכן, המונח "הדפסת מיקרו תלת מימד" מתייחס לייצור של חלקים זעירים דיוק גבוה במיוחד שלא ניתן להשיג את צורתם באמצעות תהליך הזרקה מיקרו וסוגים אחרים של תהליכי ייצור מסורתיים.

לפי 3D Science Valley, ישנם שני מוקדים שונים בפיתוח טכנולוגיית הדפסת תלת מימד, אחד מהם הוא טכנולוגיית הדפסת תלת מימד בפורמט גדול. התמקדות נוספת היא בהיבט המיקרו, כלומר, טכנולוגיית הדפסת תלת מימד המסוגלת לייצר דיוק ומכשירי מיקרו. הדפסת מיקרו ננו תלת מימדית יכולה לייצר מכשירים מורכבים ומשובחים, שהיא התגלמות היתרונות של טכנולוגיית הדפסת תלת מימד, או שתהפוך את תעשיית ייצור המכשירים המדויקים.

כוח קטן משנה את העולם! 3D Science Valley שיתף פעם שטכנולוגיית הליבה של חברת ההדפסה התלת מימדית Cytosurge ברמת המיקרון מגיעה מאוניברסיטת ETH ציריך לטכנולוגיה. בהתבסס על טכנולוגיית ה- FluidFM המוגנת בפטנט, היא מפתחת, מייצרת ומוכרת מדפסות תלת-ממד מתכת ננו-טכנולוגיה חדשניות בעלות דיוק גבוה. טכנולוגיה זו מייצגת את טכנולוגיית מיקרוסקופיית כוח נוזלים, ויש לה יישומים רבים במדעי החיים וביופיזיקה.

בסין, טכנולוגיית ייצור דיוק תלת מימד חכמה עתידית עם דיוק ברמת המיקרון של ווסט לייק תשלים את פער השוק של מאות ננומטרים עד מאות מיקרונים בעיבוד שבבי מדויק בשדות אלקטרוניים ואופטיים על ידי שילוב מתכת, קרמיקה, חומרים מגנטיים, פולימרים, וכו '

כאשר החלק נמדד לעובי שכבה של 5 מיקרון ורזולוציה של 2 מיקרון במיקרומטר חד ספרתי, מתחיל תהליך הדפסת מיקרו תלת מימד. מעניין שכמה תהליכי ייצור מיקרו-תוספים יכולים לייצר רכיבים הנמדדים בננומטרים (ננומטר), קטנים פי 1000 ממיקרון. כדי לדמיין טוב יותר מהי רמה זו של ייצור מיקרו, למשל, אנשים זוכרים בדרך כלל שהרוחב הממוצע של שיער אדם הוא 75 מיקרון, בעוד שהקוטר של גדילי DNA אנושיים הוא 2.5 ננומטר.

במזעור, השליטה בממדים הכוללים היא קריטית, והדפסת מיקרו תלת מימד יכולה להגיע ל"רמה הבאה" של מזעור. באופן ספציפי, יישומים כגון אלקטרוניקה, אופטיקה, מוליכים למחצה, מכשירים רפואיים, כלים רפואיים, הזרקת מיקרו, מיקרופלואידיקה וחיישנים הם התחומים שבהם הדפסת מיקרו תלת מימד ממלאת תפקיד ייחודי.

לדוגמה, הדפסה ביולוגית תלת-ממדית ברמת דיוק גבוהה יכולה לשמש כפיגום מותאם להנדסת רקמות ומחקר תאים, והיא ישימה להרבה מיקרו-סביבות ביו-רפואיות חדשניות אחרות הדורשות דיוק, מהירות, גיוון חומרים וסטריליות. עיבוד מיקרו תלת מימדי יכול להפוך את מחקר מדעי החיים לקרוב יותר למושג רפואה רגנרטיבית לטיפול במחלות בתחום זה. לדוגמה, מדענים מאוניברסיטת בוסטון פיתחו פלטפורמת תרבית תאים רכה ופעילה מבחינה מכנית באמצעות פלטפורמת השבבים המיקרופלואידיים המיוצרת על ידי פילמור דו-פוטונים (2PP) כדי לחקור רקמת שריר הלב במיקרו-סביבה תלת-ממדית הניתנת להתאמה אישית. פלטפורמת תרבית תאים זו מאפשרת לרקמת הלב לצמוח בסביבה תלת מימדית, ויכולה לצפות בהרכבה העצמית שלה באתר הצמדת התא על הקיר האנכי של השבב. החיישן האלקטרוני המשולב מודד את הכוח שנוצר מהתכווצות של תאי לב מתורבתים. בנוסף, החוקרים שילבו מפעיל מכני בשבב. עם מפעיל זה, מדענים חקרו את ההשפעות של עומס מכני קבוע ודינמי על רקמת הלב. אנו יכולים לצפות ליישומים מרגשים רבים אחרים של הדפסת מיקרו תלת מימד בהנדסת רקמות, ביולוגיה של תאים ורפואה רגנרטיבית.

הליתוגרפיה המשולבת בקנה מידה אפור של Quantum X (2GL) וטכנולוגיית כוונון ה-voxel הבסיסית שלה יכולות לייצר מבני מיקרו 2.5D עם דיוק צורה של תת-מיקרון וחספוס משטח של פחות מ-5 ננומטר (Ra).

NanoScribe

באופן כללי, אנו מאמינים כי 10 מיקרון ומטה הם ייצור מיקרו תוספים. כמובן, אם כל אלה נמצאים בטווח של 1-3 מיקרון, זוהי ההגדרה המדויקת ביותר של מיקרו AM.

בדומה לכמה סוגים של תהליכי AM, ישנם גם סוגים שונים של תהליכי מיקרו AM, לרבות: שקיעת נתיך (FFD), כתיבת דיו ישירה (DIW), שקיעת אנרגיה ישירה (DED), ייצור אובייקטים למינציה (LOM), הדפסת חיזור אלקטרו-הידרודינמית ( EHDP), התכה של מיטת אבקה (PBF), הדפסת תלת מימד מבוססת פוטופולימריזציה (P3DP), ותצהיר כימי בלייזר (LCVD).

טכנולוגיית הדפסת מיקרו תלת מימד

ספר לבן תלת מימד של עמק המדע

תהליך הדפסת מיקרו 3D מבוסס שרף הוא כיום התהליך המוכר ביותר בשוק בשל יתרונותיו ברזולוציה, איכות, שחזור ומהירות. בנוסף, DED ו-EHDP יכולים להשיג רזולוציה גבוהה יותר. עם זאת, העלות הגבוהה וקצב הייצור הנמוך הקשורים לתהליכים אלה מגבילים את היישום שלהם. עם זאת, בשל הרזולוציה המוגבלת שלהם, עדיין יש להם מגבלות במימוש חלקים או מבנים קטנים בעלי דיוק גבוה.

בהשוואה לשיטות אלה, ה-2PP של Nanoscribe יכול לייצר גודל תכונה מינימלי נמוך כמו 100 ננומטר. על פי מחקר, פיתוח שיטות אופטיות חדשות הוביל להתקדמות של תהליך ייצור מיקרו תוספים, במיוחד תהליך הדפסת תלת מימד המבוסס על פוטופולימריזציה. לדברי מומחים, שימוש במקורות אור בעלי אורכי גל קצרים יותר (כגון קרני UV) ועדשות אובייקטיביות בעלות NA גבוה יותר (צמצם מספרי) יכול להגיע לרזולוציה גבוהה יותר – שהיא בדרך כלל אחד האתגרים הבולטים במיקרו AM.

בהשוואה לשיטות אחרות המבוססות על טיפול בחום ולמינציה, השיטה האופטית מחזקת את החיבור של ווקסלים סמוכים. שלבי עיבוד לאחר עיבוד כגון ריפוי UV גם עוזרים לשפר את האיכות של רכיבי הדפסת תלת מימד. לבסוף, הדוח קובע כי בשל הדרך ללא מגע בין אזור העיבוד למערכת התאורה, נקודת הלייזר או התבנית האופטית של חומרי הגלם המעובדים יכולים לסייע בשיפור היציבות והחזרה.

עם זאת, תהליכי הייצור הידועים ביותר של תוסף מיקרו כוללים DLP ומיקרו סטריאו ליתוגרפיה (μ SLA), ליטוגרפיה מיקרו סטריאו הקרנה (P μ SL), פילמור שני פוטונים (2PP או TPP), ייצור מתכת מבוסס ליתוגרפיה ( LMM), שיקוע אלקטרוכימי וסינטרינג לייזר סלקטיבי בקנה מידה מיקרו (μ SLS).

טכנולוגיית הקרנת אור ישירה (DLP).

טכנולוגיית DLP יכולה להשיג רזולוציית מיקרון שניתן לחזור עליה על ידי שילוב של DLP עם שימוש באופטיקה אדפטיבית. אחד ההבדלים העיקריים בין SLA ל-SLA, שבדרך כלל נקרא דומה מאוד, הוא ש-SLA צריך להשתמש בלייזר כדי לעקוב אחר שכבה אחת, בעוד ש-DLP משתמש במקור אור הקרנה כדי לגבש את כל השכבה בכל פעם.

מיקרו סטריאוליטוגרפיה (μ SLA)

כמו כן, בהתבסס על ערימת שכבות המושרה בפוטו, מיקרו סטריאו ליתוגרפיה (MPuSLA) משמשת לבניית רכיבים פיזיים על ידי חשיפת שרף פולימרי רגיש לאור ללייזר אולטרה סגול.

ליטוגרפיה מיקרו סטריאו הקרנה (P μ SL)

P μ SL הוא פוטופולימריזציה ברזולוציה גבוהה (עד 0.6) המופעלת על ידי הקרנת שטח μ m) טכנולוגיית הדפסה תלת-ממדית יכולה לייצר ארכיטקטורות תלת-ממד מורכבות המכסות קנה מידה וחומרים מרובים. מכונות המבוססות על תהליך זה נחשבות בדרך כלל כמשלבות את היתרונות של טכנולוגיות DLP ו-SLA. הודות למחיר הסביר, הדיוק, המהירות והיכולת לעבד פולימרים, חומרים ביולוגיים וקרמיקה, התהליך התפתח במהירות.

ייצור מתכת על בסיס פוטוליתוגרפיה

לאחר פיזור אחיד בשרף הרגיש לאור, אבקת המתכת עוברת פילמור סלקטיבי על ידי חשיפה לאור כחול. החלקים הירוקים המודפסים בתלת-ממד מוטבעים בכבשן כדי לקבל חלקים צפופים.

פילמור שני פוטונים (2PP או TPP)

תהליך זה נחשב בדרך כלל למדפסות המיקרו תלת מימד המדויק ביותר. 2PP היא שיטת כתיבה בלייזר ישירה, שיכולה לעבוד על מבנים 3D ו- 2.5D ללא יצירת מסכות יקרות וליטוגרפיה מרובה. ניתן לומר ש-2PP מימש את מלוא הפוטנציאל שלו בין ליטוגרפיה ללא מסכות וייצור תוספים ברמת דיוק גבוהה.

על פי הבנת השוק של 3D Science Valley, 2PP קידמה את ייצור המיקרו של חלקים על מצעים מישוריים בגובה פרוס, למשל, בתחומי היישום של סיבים אופטיים, שבבים פוטוניים ותעלות מיקרו-נוזליות עם אטמים פנימיים.

2PP דורש שרף מיוחד רגיש לאור כדי להקל על העיבוד, להשיג רזולוציה ודיוק צורה מיטביים ולהיות מותאם ליישומים שונים. נכון להיום, הדפסת תלת מימד ברמת דיוק גבוהה המבוססת על פילמור שני פוטונים מתאימה מאוד ליצירת אב טיפוס מהיר של עיצוב יישומים, כגון ציוד ביו-רפואי, מיקרו אופטיקה, MEMS, ציוד מיקרופלואידי, אריזה פוטונית (כגון PIC), פרויקטים של הנדסת שטח וכו'. יכולות עיבוד פרוסות הופכות עיבוד אצווה וייצור אצווה קטן של חלקי מיקרו תלת-ממדיים לקלים יותר מאי פעם.

שקיעה אלקטרוכימית

שקיעה אלקטרוכימית היא טכנולוגיית הדפסה מיקרו תלת מימדית נדירה ללא כל עיבוד לאחר. תהליך זה משתמש בזרבובית הדפסה קטנה הנקראת קצה יונים וטובלת אותה באמבט אלקטרוליטים תומך. לחץ האוויר המווסת דוחף את הנוזל המכיל יוני מתכת דרך תעלת המיקרו שבקצה היונים. בקצה המיקרו-ערוץ, הנוזל המכיל יונים משתחרר אל משטח ההדפסה. יוני המתכת המומסים מופקדים לאחר מכן אל אטומי מתכת מוצקים. אחר כך האחרון גדל לאבני בניין גדולות יותר (voxels) עד להיווצרות החלק.

סינטר לייזר סלקטיבי בקנה מידה מיקרו (μ SLS)

ייצור תוסף זה המבוסס על היתוך של מיטת אבקה, הידוע גם בשם סינטר לייזר סלקטיבי ברמת מיקרון (SLS), כולל ציפוי שכבה של דיו ננו חלקיקי מתכת על המצע, ולאחר מכן ייבושו ליצירת שכבת ננו חלקיקית אחידה. לאחר מכן, הלייזר סינר את הננו-חלקיקים לתבנית הרצויה. לאחר מכן חזור על התהליך עד ליצירת החלק.

חלקים קטנים מרתקים

עם ההתקדמות של טכנולוגיות עיבוד חדשות, כגון ליתוגרפיה בקנה מידה אפור דו-פוטוני (2GL) והשילוב של לייזרים עם הספק גבוה יותר וחומרה משופרת (כגון במה וסורק), השתנה המצב הקיים של ייצור מיקרו תוספים. לעומת זאת, טכנולוגיות אחרות לייצור תוסף מסורתי יותר, כגון DLP, SLA וליטוגרפיה מיקרו סטריאו הקרנה (P μ SL) יכולות לייצר רק מבנים גדולים יותר, עם זאת, כאשר מדובר ברזולוציה גבוהה (<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="">

על פי תצפית השוק של 3D Science Valley, Nanoscribe מספקת פתרון תעשייתי חדש לאריזת פוטון עם ה-Quantum X align שהושק לאחרונה. אובדן הצימוד מצטמצם באמצעות התאמת שדה מצב ברמת הרכיב ולא ברמת השבב. הדפסת תלת מימד דיוק גבוה עם יישור אוטומטי דיוק ננו מקדמת ייצור ישיר של אלמנטים מיקרו אופטיים על שבבים פוטוניים וליבות סיבים, והדפסה ישירה של אלמנטים מיקרו אופטיים בצורה חופשית או אלמנטים אופטיים עקיפים (DOE) במקומות המתאימים, ובכך מקדם אופטי אופטימלי. צימוד על פלטפורמות פוטוניות.

הליתוגרפיה הקניינית של Nanoscribe בקנה מידה אפור (2GL) מאיץ באופן משמעותי עיבוד מיקרו-ממד גבוה של מבנים 2.5D עבור יישומים אופטיים, כגון דיוק הצורה הגבוה ביותר ומשטחים בדרגה אופטית (Ra פחות מ- או שווה ל-5 ננומטר). על מנת להרחיב עוד יותר את סולם הייצור, Nanoscribe ניסתה שתי אסטרטגיות שכפול אמינות ומוכחות עם EV Group ו-kdg opticom.

כמו כל תהליך הדפסה תלת מימד, הדפסת מיקרו תלת מימד מאפשרת למשתמשים שלה ליהנות מחופש העיצוב. אחד האתגרים בתחום האינטגרציה הפוטונית, המחשוב האופטי ותקשורת הנתונים הוא לקדם את היישור והאריזה של רכיבים פוטוניים. פתרונות הדפסה תלת מימדיים מיוחדים המבוססים על חומרה ותוכנה יכולים להשיג צימוד יעיל של רמת אור נמוכה.

בהשוואה לאותם חלקים המיוצרים בתהליך ייצור מסורתי, מהירות הייצור של חלק קטן היא מרתקת. עם הפיתוח של מוצרי מיקרו ממוזערים, הדפסת מיקרו תלת מימד ישימה לכל התעשיות העוסקות בחלקים קטנים ומדויקים. באופן מסורתי, עלות ייצור חלקים קטנים הייתה גבוהה, בעוד ייצור מיקרו תוספים מספק כעת פתרונות זולים וקלים יותר לשימוש.

הידיעה היא עמוקה, אבל העשייה היא רחוקה. בהתבסס על רשת צוות החשיבה העולמית של המומחים של תעשיית הייצור, 3D Science Valley מספקת לתעשייה תצפית מעמיקה על חומרים תוספים וייצור חכם מנקודת מבט גלובלית. לניתוח נוסף על ייצור תוסף, אנא שימו לב לסדרת המסמכים הלבנים שפורסמה על ידי 3D Science Valley.