Insight Into Micro 3D Printing - بینش منحصر به فرد در مورد فناوری ساخت افزودنی

به طور کلی، بیشتر نوآوری ها در صنعت تولید حول توانایی تولید قطعات پرینت سه بعدی بزرگ توسعه یافته اند. با این حال، با افزایش تقاضا برای تجهیزات مینیاتوری در زمینه های الکترونیک، بیوتکنولوژی، خودرو و هوا فضا، مردم به طور فزاینده ای به فناوری ساخت افزودنی های میکرو علاقه مند هستند. بنابراین، بازار قطعات کوچک چقدر است؟ در این شماره، بر اساس تجزیه و تحلیل JRg Smolenski، مدیر توسعه کسب و کار Nanoscript، 3D Science Valley و Guyou گرد هم می آیند تا اصول اولیه و انواع مختلف فناوری ساخت افزودنی های میکرو و همچنین مزایای اصلی ساخت افزودنی های میکرو را درک کنند. فن آوری که می تواند به پیشرفت بازار کمک کند و زمینه هایی که نیاز به بهبود دارند.

فناوری چاپ سه بعدی میکرو

نانواسکریب

بی بدیل دنیای کوچک

اصطلاح تولید افزودنی میکرو معمولاً به جای ماشینکاری میکرو سه بعدی یا ساخت افزودنی با دقت بالا استفاده می شود، اما در واقع مترادف دقیقی نیستند. به طور کلی، تولید افزودنی بیشتر به محیط تولید صنعتی اشاره دارد و پردازش میکرو سه بعدی یک اصطلاح کلی است که همه روش ها را توصیف می کند، مانند روش فوتولیتوگرافی که بسیار محبوب است و به طور گسترده در تولید MEMS استفاده می شود (این یک بازار بزرگ بالغ است و روش بسیار بالغ است). روش های ریزماشین سه بعدی بسیار دیگری مانند روش های میکروسیال، روش های دیجیتال مبتنی بر لیتوگرافی پرتو الکترونی و غیره وجود دارد.

به منظور نشان دادن وضعیت فناوری ساخت افزودنی میکرو، فرض بر این است که در پرینت سه بعدی، ابتدا قسمتی از طریق یک آرایه نقطه ای ساخته و به صورت دیجیتالی توصیف می شود، جایی که یک نقطه (وکسل) نشان دهنده حداقل واحد چاپ است. اندازه وکسل از نانومتر تا ماکروسکوپیک متغیر است. بنابراین، فرآیند چاپ سه بعدی میکرو نیاز به استفاده از وکسل های میکرون یا زیر میکرون دارد که برای تولید محصولات میکرو بسیار مهم است. بنابراین، اصطلاح «چاپ سه بعدی میکرو» به ساخت قطعات بسیار ریز و با دقت فوق العاده بالا اشاره دارد که شکل آنها با استفاده از فرآیند قالب گیری تزریقی میکرو و انواع دیگر فرآیندهای تولید سنتی قابل دستیابی نیست.

به گفته 3D Science Valley، دو تمرکز متفاوت در توسعه فناوری چاپ سه بعدی وجود دارد که یکی از آنها فناوری چاپ سه بعدی با فرمت بزرگ است. تمرکز دیگر روی جنبه میکرو است، یعنی فناوری چاپ سه بعدی که قادر به ساخت دستگاه های دقیق و میکرو است. چاپ سه بعدی میکرو نانو می تواند دستگاه های پیچیده و خوبی تولید کند که تجسم مزایای فناوری چاپ سه بعدی است یا صنعت ساخت دستگاه های دقیق را زیر و رو خواهد کرد.

قدرت های کوچک دنیا را تغییر می دهند! 3D Science Valley زمانی به اشتراک گذاشت که فناوری اصلی شرکت چاپ سه بعدی در سطح میکرون Cytosurge از دانشگاه فناوری ETH زوریخ می آید. این شرکت بر اساس فناوری ثبت شده FluidFM خود، چاپگرهای سه بعدی فلزی نوآورانه با فناوری نانو با دقت بالا را توسعه، تولید و به فروش می رساند. این فناوری نشان دهنده فناوری میکروسکوپ نیروی سیال است و کاربردهای زیادی در علوم زیستی و بیوفیزیک دارد.

در چین، فناوری ساخت دقیق سه بعدی هوشمند آینده با دقت سطح میکرونی West Lake، شکاف بازار صدها نانومتر تا صدها میکرون را در ماشین‌کاری دقیق در زمینه‌های الکترونیکی و نوری با ادغام فلز، سرامیک، مواد مغناطیسی، پلیمرها، جبران می‌کند. و غیره.

هنگامی که قطعه به ضخامت لایه 5 میکرون و وضوح 2 میکرون در میکرومترهای تک رقمی اندازه گیری شد، فرآیند چاپ سه بعدی میکرو آغاز می شود. جالب توجه است، برخی از فرآیندهای تولید میکرو افزودنی می‌توانند اجزایی با اندازه‌گیری نانومتر (nm) تولید کنند که 1000 برابر کوچک‌تر از یک میکرون است. به عنوان مثال، برای تجسم بهتر این سطح از تولید میکرو، معمولاً مردم به یاد می آورند که عرض متوسط ​​موهای انسان 75 میکرون است، در حالی که قطر رشته های DNA انسان 2.5 نانومتر است.

در کوچک سازی، کنترل ابعاد کلی بسیار مهم است و چاپ سه بعدی میکرو می تواند به "سطح بعدی" کوچک سازی دست یابد. به طور خاص، کاربردهایی مانند الکترونیک، اپتیک، نیمه هادی ها، دستگاه های پزشکی، ابزار پزشکی، قالب گیری تزریقی میکرو، میکروسیال ها و حسگرها زمینه هایی هستند که پرینت سه بعدی میکرو نقش منحصر به فردی را ایفا می کند.

به عنوان مثال، پرینت زیستی سه بعدی با دقت بالا می تواند به عنوان یک داربست سفارشی برای مهندسی بافت و تحقیقات سلولی مورد استفاده قرار گیرد و برای بسیاری از ریزمحیط های زیست پزشکی نوآورانه دیگر که به دقت، سرعت، تنوع مواد و عقیمی نیاز دارند، قابل استفاده است. پردازش میکرو سه بعدی می تواند تحقیقات علوم زیستی را به مفهوم پزشکی احیا کننده برای درمان بیماری ها در این زمینه نزدیک کند. به عنوان مثال، دانشمندان دانشگاه بوستون یک پلت فرم کشت سلولی نرم و فعال مکانیکی را از طریق پلتفرم تراشه میکروسیال ساخته شده توسط پلیمریزاسیون دو فوتونی (2PP) برای مطالعه بافت میوکارد در یک ریزمحیط 3 بعدی قابل تنظیم ایجاد کرده اند. این پلت فرم کشت سلولی به بافت قلب اجازه می دهد تا در یک محیط سه بعدی رشد کند و می تواند خودآرایی آن را در محل اتصال سلول روی دیواره عمودی تراشه مشاهده کند. حسگر الکترونیکی یکپارچه نیروی ایجاد شده توسط انقباض سلول های قلب کشت شده را اندازه گیری می کند. علاوه بر این، محققان یک محرک مکانیکی را در تراشه ادغام کرده اند. با استفاده از این محرک، دانشمندان اثرات فشار مکانیکی ثابت و پویا بر بافت قلب را بررسی کرده اند. می‌توانیم انتظار بسیاری از کاربردهای هیجان‌انگیز دیگر پرینت سه بعدی در مهندسی بافت، زیست‌شناسی سلولی و پزشکی احیاکننده را داشته باشیم.

لیتوگرافی یکپارچه مقیاس خاکستری دو فوتونی کوانتوم ایکس (2GL) و فناوری تنظیم وکسل اولیه آن می تواند ریزساختارهای 2.5 بعدی با دقت شکل زیر میکرون و زبری سطح کمتر از 5 نانومتر (Ra) تولید کند.

نانواسکریب

به طور کلی، ما معتقدیم که 10 میکرون و پایین تر، تولید میکرو افزودنی است. البته اگر همه اینها در محدوده 1-3 میکرون باشد، این دقیق ترین تعریف میکرو AM است.

مانند انواع مختلفی از فرآیندهای AM، انواع مختلفی از فرآیندهای میکرو AM نیز وجود دارد، از جمله: رسوب فیوز (FFD)، نوشتن جوهر مستقیم (DIW)، رسوب مستقیم انرژی (DED)، ساخت اشیای چند لایه (LOM)، چاپ ردوکس الکتروهیدرودینامیک. EHDP)، ذوب بستر پودری (PBF)، چاپ سه بعدی مبتنی بر فوتوپلیمریزاسیون (P3DP) و رسوب بخار شیمیایی لیزری (LCVD).

فناوری چاپ سه بعدی میکرو

کاغذ سفید 3D Science Valley

فرآیند چاپ میکرو سه بعدی مبتنی بر رزین در حال حاضر به دلیل مزایای آن در وضوح، کیفیت، تکرارپذیری و سرعت، شناخته شده ترین فرآیند در بازار است. علاوه بر این، DED و EHDP می توانند به وضوح بالاتری دست یابند. با این حال، هزینه بالا و نرخ تولید پایین مرتبط با این فرآیندها کاربرد آنها را محدود می کند. با این حال، به دلیل وضوح محدود آنها، آنها هنوز هم محدودیت هایی در ساخت قطعات یا سازه های کوچک با دقت بالا دارند.

در مقایسه با این روش‌ها، 2PP Nanoscribe می‌تواند حداقل اندازه ویژگی را تا 100 نانومتر تولید کند. بر اساس تحقیقات، توسعه روش‌های نوری جدید منجر به پیشرفت فرآیند ساخت افزودنی‌های میکرو، به‌ویژه فرآیند چاپ سه‌بعدی مبتنی بر فوتوپلیمریزاسیون شده است. به گفته کارشناسان، استفاده از منابع نوری با طول موج کوتاه‌تر (مانند پرتوهای UV) و لنزهای شیئی با NA بالاتر (دیافراگم عددی) می‌تواند به وضوح بالاتری دست یابد - که معمولاً یکی از برجسته‌ترین چالش‌ها در میکرو AM است.

در مقایسه با روش های دیگر مبتنی بر عملیات حرارتی و لمینیت، روش نوری باعث می شود که اتصال وکسل های مجاور قوی تر شود. مراحل پس از پردازش مانند پخت UV نیز به بهبود کیفیت اجزای چاپ سه بعدی کمک می کند. در نهایت، این گزارش بیان می کند که به دلیل راه غیر تماسی بین منطقه پردازش و سیستم روشنایی، نقطه لیزری یا الگوی نوری مواد خام فرآوری شده می تواند به بهبود پایداری و تکرارپذیری کمک کند.

با توجه به این که، شناخته شده ترین فرآیندهای تولید میکرو افزودنی شامل DLP و لیتوگرافی میکرو استریو (μ SLA)، لیتوگرافی میکرو استریو پروجکشن (P μ SL)، پلیمریزاسیون دو فوتونی (2PP یا TPP)، ساخت فلز بر اساس لیتوگرافی ( LMM)، رسوب الکتروشیمیایی و تف جوشی لیزری انتخابی در مقیاس میکرو (μ SLS).

فناوری پروژکتور نور مستقیم (DLP).

فناوری DLP می تواند با ترکیب DLP با استفاده از اپتیک تطبیقی ​​به وضوح میکرون تکرارپذیر دست یابد. یکی از تفاوت‌های اصلی بین SLA و SLA، که معمولاً به آن بسیار مشابه گفته می‌شود، این است که SLA برای ردیابی یک لایه نیاز به استفاده از لیزر دارد، در حالی که DLP از یک منبع نور پروجکشن برای جامد کردن کل لایه در یک زمان استفاده می‌کند.

میکرو استریولیتوگرافی (μ SLA)

همچنین بر اساس انباشته لایه های ناشی از نور، لیتوگرافی میکرو استریو (MPuSLA) برای ساخت اجزای فیزیکی با قرار دادن رزین پلیمری حساس به نور در معرض لیزر ماوراء بنفش استفاده می شود.

لیتوگرافی میکرو استریو پروجکشن (P μ SL)

P μ SL یک فوتوپلیمریزاسیون با وضوح بالا (حداکثر 0}.6) است که توسط طرح ریزی سطح میکرومتر ایجاد می شود). ماشین‌های مبتنی بر این فرآیند معمولاً برای ترکیب مزایای فناوری‌های DLP و SLA در نظر گرفته می‌شوند. به دلیل مقرون به صرفه بودن، دقت، سرعت و توانایی پردازش پلیمرها، مواد زیستی و سرامیک ها، این فرآیند به سرعت توسعه یافته است.

ساخت فلز بر اساس فتولیتوگرافی

پس از پراکندگی یکنواخت در رزین حساس به نور، پودر فلز به طور انتخابی با قرار گرفتن در معرض نور آبی پلیمریزه می شود. سپس قطعات سبز پرینت سه بعدی در کوره پخت می شوند تا قطعات متراکم به دست آید.

پلیمریزاسیون دو فوتونی (2PP یا TPP)

این فرآیند به طور کلی دقیق ترین در بین پرینترهای میکرو سه بعدی در نظر گرفته می شود. 2PP یک روش نوشتن لیزری مستقیم است که می تواند بر روی ریزساختارهای 3 بعدی و 2.5 بعدی بدون تولید ماسک گران قیمت و لیتوگرافی چندگانه کار کند. می توان گفت که 2PP پتانسیل کامل خود را بین لیتوگرافی بدون ماسک و ساخت افزودنی با دقت بالا انجام داده است.

با توجه به درک بازار 3D Science Valley، 2PP تولید خرد قطعات را بر روی بسترهای مسطح سطح ویفر، به عنوان مثال، در زمینه های کاربرد فیبرهای نوری، تراشه های فوتونی و کانال های میکروسیال با مهر و موم داخلی ترویج کرده است.

2PP برای تسهیل پردازش، دستیابی به وضوح و دقت شکل مطلوب، و برای کاربردهای مختلف به رزین حساس به نور ویژه نیاز دارد. در حال حاضر، پرینت سه بعدی با دقت بالا بر اساس پلیمریزاسیون دو فوتونی برای نمونه سازی سریع طراحی برنامه های کاربردی مانند تجهیزات زیست پزشکی، میکرو اپتیک، MEMS، تجهیزات میکروسیال، بسته بندی فوتونیک (مانند PIC)، پروژه های مهندسی سطح و غیره بسیار مناسب است. قابلیت‌های پردازش ویفر، پردازش دسته‌ای و تولید دسته‌ای کوچک قطعات میکرو سه بعدی را آسان‌تر از همیشه می‌کند.

رسوب الکتروشیمیایی

رسوب الکتروشیمیایی یک فناوری پرینت سه بعدی میکرو نادر و بدون هیچ گونه پس پردازش است. این فرآیند از یک نازل چاپ کوچک به نام نوک یونی استفاده می کند و آن را در یک حمام الکترولیت نگهدارنده غوطه ور می کند. فشار هوای تنظیم شده، مایع حاوی یون های فلزی را از طریق کانال میکرو در نوک یون فشار می دهد. در انتهای میکروکانال، مایع حاوی یون به سطح چاپ رها می شود. سپس یون‌های فلزی محلول در اتم‌های فلز جامد رسوب داده می‌شوند. دومی سپس به بلوک های ساختمانی بزرگتر (وکسل) تبدیل می شود تا زمانی که قطعه تشکیل شود.

تف جوشی لیزری انتخابی در مقیاس میکرو (μ SLS)

این تولید افزودنی مبتنی بر همجوشی بستر پودری، همچنین به عنوان تف جوشی لیزری انتخابی در سطح میکرون (SLS) شناخته می‌شود، شامل پوشش لایه‌ای از جوهر نانو ذرات فلزی بر روی بستر، و سپس خشک کردن آن برای تولید یک لایه نانو ذرات یکنواخت است. سپس لیزر نانوذرات را در الگوی مورد نظر زینتر کرد. سپس این روند را تا زمانی که قطعه ساخته شود تکرار کنید.

قطعات کوچک و جذاب

با پیشرفت فناوری‌های پردازشی جدید، مانند لیتوگرافی دو فوتونی در مقیاس خاکستری (2GL) و ترکیب لیزرهای با قدرت بالاتر و سخت‌افزار بهبود یافته (مانند استیج و اسکنر)، وضعیت موجود در ساخت افزودنی‌های میکرو تغییر کرده است. در مقابل، سایر فن‌آوری‌های سنتی‌تر تولید افزودنی، مانند DLP، SLA و لیتوگرافی میکرو استریو پروژکشن (P μ SL) تنها می‌توانند ساختارهای بزرگ‌تری تولید کنند، اما وقتی صحبت از وضوح بالا به میان می‌آید.<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="">

با توجه به مشاهدات بازار 3D Science Valley، Nanoscribe راه‌حل صنعتی جدیدی برای بسته‌بندی فوتون با کوانتوم X align ارائه می‌کند. تلفات کوپلینگ از طریق تطبیق میدان حالت در سطح جزء به جای سطح تراشه کاهش می یابد. چاپ سه بعدی با دقت بالا با تراز خودکار نانو دقیق، ساخت مستقیم عناصر میکرو نوری را بر روی تراشه‌های فوتونیکی و هسته‌های فیبر، و چاپ مستقیم عناصر میکرو نوری آزاد شکل یا عناصر نوری پراش (DOE) در مکان‌های مناسب را ارتقا می‌دهد، بنابراین نوری بهینه را ارتقا می‌دهد. جفت شدن روی سکوهای فوتونیک

لیتوگرافی در مقیاس خاکستری دو فوتونی اختصاصی Nanoscript (2GL) به طور قابل توجهی سرعت ریزماشینکاری با دقت بالا ساختارهای 2.5 بعدی را برای کاربردهای نوری، مانند بالاترین دقت شکل و سطوح درجه نوری (Ra کمتر یا برابر با 5 نانومتر) افزایش می‌دهد. به منظور گسترش بیشتر مقیاس تولید، Nanoscript دو ​​استراتژی تکرار قابل اعتماد و اثبات شده را با گروه EV و kdg opticom امتحان کرده است.

مانند هر فرآیند چاپ سه بعدی، چاپ سه بعدی میکرو به کاربران خود اجازه می دهد تا از آزادی طراحی بهره مند شوند. یکی از چالش‌های موجود در زمینه ادغام فوتونیک، محاسبات نوری و ارتباطات داده، ارتقای هم‌ترازی و بسته‌بندی اجزای فوتونیک است. راه حل های ویژه پرینت سه بعدی مبتنی بر سخت افزار و نرم افزار می توانند به کوپلینگ کارآمد در سطح نور کم دست یابند.

در مقایسه با قطعات مشابه تولید شده توسط فرآیند تولید سنتی، سرعت ساخت یک قطعه کوچک شگفت‌انگیز است. با توسعه محصولات میکرو مینیاتوری، پرینت سه بعدی میکرو برای تمام صنایعی که با قطعات کوچک و دقیق سروکار دارند قابل استفاده است. به طور سنتی، هزینه تولید قطعات کوچک بالا بوده است، در حالی که ساخت افزودنی های میکرو در حال حاضر راه حل های ارزان تر و آسان تر را ارائه می دهد.

دانستن عمیق است، اما انجام دادن دور است. بر اساس شبکه اتاق فکر متخصص جهانی صنعت تولید، 3D Science Valley مشاهده عمیق مواد افزودنی و تولید هوشمند را از دیدگاه جهانی در اختیار صنعت قرار می دهد. برای تجزیه و تحلیل بیشتر در مورد ساخت افزودنی، لطفا به سری کاغذ سفید منتشر شده توسط 3D Science Valley توجه کنید.