Insight Into Micro 3D Printing - Visão Única da Tecnologia de Manufatura Aditiva

Em geral, a maioria das inovações na indústria de manufatura são desenvolvidas em torno da capacidade de produzir grandes peças impressas em 3D. No entanto, com a crescente demanda por equipamentos miniaturizados nas áreas de eletrônica, biotecnologia, automobilística e aeroespacial, as pessoas estão cada vez mais interessadas na tecnologia de fabricação de micro aditivos. Então, qual é o tamanho do mercado para peças pequenas? Nesta edição, com base na análise de JRg Smolenski, gerente de desenvolvimento de negócios da Nanoscribe, 3D Science Valley e Guyou se reúnem para entender os princípios básicos e os diferentes tipos de tecnologia de micro manufatura aditiva, bem como as principais vantagens da micro manufatura aditiva tecnologia que pode ajudar o mercado a avançar e as áreas que precisam ser melhoradas.

Tecnologia de impressão micro 3D

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O insubstituível do mundo minúsculo

O termo micromanufatura aditiva é geralmente usado de forma intercambiável com micro usinagem 3D ou manufatura aditiva de alta precisão, mas, na verdade, eles não são sinônimos exatos. Geralmente, a manufatura aditiva refere-se mais ao ambiente de fabricação industrial, e o microprocessamento 3D é um termo geral que descreve todos os métodos, como o método de fotolitografia que é muito popular e amplamente utilizado na fabricação de MEMS (este é um mercado enorme e maduro, e o método é muito maduro). Existem muitos outros métodos de microusinagem 3D, como métodos para microfluídica, métodos digitais baseados em litografia por feixe de elétrons e assim por diante.

Para ilustrar o estado da tecnologia de micro manufatura aditiva, assume-se que na impressão 3D, uma peça é primeiramente construída e descrita digitalmente através de um array de pontos, onde um ponto (voxel) representa uma unidade mínima de impressão. O tamanho do voxel varia de nanômetro a macroscópico. Portanto, o processo de impressão micro 3D requer o uso de voxels micro ou submicron, o que é crucial para a fabricação de microprodutos. Portanto, o termo "micro impressão 3D" refere-se à fabricação de peças minúsculas de altíssima precisão, cuja forma não pode ser alcançada usando o processo de micro moldagem por injeção e outros tipos de processos de fabricação tradicionais.

De acordo com a 3D Science Valley, existem dois focos diferentes no desenvolvimento da tecnologia de impressão 3D, um dos quais é a tecnologia de impressão 3D de grande formato. Outro foco está no aspecto micro, ou seja, tecnologia de impressão 3D capaz de fabricar microdispositivos e de precisão. A impressão 3D micro nano pode produzir dispositivos complexos e finos, que é a personificação das vantagens da tecnologia de impressão 3D, ou derrubará a indústria de fabricação de dispositivos de precisão.

O pequeno poder está mudando o mundo! A 3D Science Valley uma vez compartilhou que a tecnologia central da empresa de impressão 3D de nível micron Cytosurge vem da ETH Zurich University of Technology. Com base em sua tecnologia patenteada FluidFM, desenvolve, fabrica e vende impressoras 3D de metal de nanotecnologia de alta precisão inovadoras. Esta tecnologia representa a tecnologia de microscopia de força de fluido e tem muitas aplicações em ciências da vida e biofísica.

Na China, a futura tecnologia de fabricação de precisão 3D inteligente com precisão de nível de mícron de West Lake compensará a lacuna de mercado de centenas de nanômetros a centenas de mícrons em usinagem de precisão em campos eletrônicos e ópticos, integrando metal, cerâmica, materiais magnéticos, polímeros, etc.

Quando a peça é medida com uma espessura de camada de 5 mícrons e uma resolução de 2 mícrons em micrômetros de um dígito, o processo de microimpressão 3D é iniciado. Curiosamente, alguns processos de manufatura aditiva micro podem produzir componentes medidos em nanômetros (nm), 1000 vezes menores que um mícron. Para visualizar melhor como é esse nível de microfabricação, por exemplo, as pessoas costumam lembrar que a largura média do cabelo humano é de 75 mícrons, enquanto o diâmetro dos fios de DNA humano é de 2,5 nanômetros.

Na miniaturização, o controle das dimensões gerais é crucial, e a microimpressão 3D pode alcançar "o próximo nível" de miniaturização. Especificamente, aplicações como eletrônica, óptica, semicondutores, dispositivos médicos, ferramentas médicas, micro moldagem por injeção, microfluídica e sensores são os campos em que a microimpressão 3D desempenha um papel único.

Por exemplo, a bioimpressão 3D de alta precisão pode ser usada como um andaime personalizado para engenharia de tecidos e pesquisa de células e é aplicável a muitos outros microambientes biomédicos inovadores que exigem precisão, velocidade, diversidade de materiais e esterilidade. O microprocessamento 3D pode tornar a pesquisa em ciências da vida mais próxima do conceito de medicina regenerativa para tratar doenças nesse campo. Por exemplo, cientistas da Universidade de Boston desenvolveram uma plataforma de cultura de células macia e mecanicamente ativa por meio da plataforma de chip microfluídico fabricada por polimerização de dois fótons (2PP) para estudar o tecido miocárdico em um microambiente 3D personalizável. Essa plataforma de cultura de células permite que o tecido cardíaco cresça em um ambiente 3D e possa observar sua automontagem no local de fixação da célula na parede vertical do chip. O sensor eletrônico integrado mede a força gerada pela contração de células cardíacas cultivadas. Além disso, os pesquisadores integraram um atuador mecânico no chip. Com este atuador, os cientistas estudaram os efeitos da tensão mecânica constante e dinâmica no tecido cardíaco. Podemos esperar muitas outras aplicações interessantes da microimpressão 3D na engenharia de tecidos, biologia celular e medicina regenerativa.

A litografia em escala de cinza de dois fótons integrada do Quantum X (2GL) e sua tecnologia básica de ajuste de voxel podem produzir microestruturas 2,5D com precisão de forma submicrônica e rugosidade de superfície inferior a 5 nm (Ra).

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De um modo geral, acreditamos que 10 mícrons e abaixo são microfabricação aditiva. Claro, se todos eles estiverem na faixa de 1-3 mícrons, esta é a definição mais precisa de micro AM.

Como vários tipos de processos AM, também existem vários tipos de processos micro AM, incluindo: deposição de fusíveis (FFD), escrita direta de tinta (DIW), deposição direta de energia (DED), fabricação de objetos laminados (LOM), impressão redox eletrohidrodinâmica ( EHDP), fusão em leito de pó (PBF), impressão 3D baseada em fotopolimerização (P3DP) e deposição de vapor químico a laser (LCVD).

Tecnologia de impressão micro 3D

Livro Branco do Vale da Ciência 3D

O processo de microimpressão 3D baseado em resina é atualmente o processo mais reconhecido no mercado devido às suas vantagens em resolução, qualidade, reprodutibilidade e velocidade. Além disso, DED e EHDP podem atingir uma resolução mais alta. No entanto, o alto custo e a baixa taxa de fabricação associados a esses processos limitam sua aplicação. No entanto, devido à sua resolução limitada, eles ainda têm limitações na realização de pequenas peças ou estruturas de alta precisão.

Comparado com esses métodos, o 2PP do Nanoscribe pode produzir um tamanho mínimo de recurso tão baixo quanto 100 nm. De acordo com pesquisas, o desenvolvimento de novos métodos ópticos levou ao avanço do processo de fabricação de micro aditivos, especialmente o processo de impressão 3D baseado em fotopolimerização. De acordo com especialistas, o uso de fontes de luz com comprimentos de onda mais curtos (como raios UV) e lentes objetivas com maior NA (abertura numérica) pode alcançar uma resolução mais alta - o que geralmente é um dos desafios mais proeminentes no micro AM.

Comparado com outros métodos baseados em tratamento térmico e laminação, o método óptico torna a conexão de voxels adjacentes mais forte. As etapas de pós-processamento, como a cura UV, também ajudam a melhorar a qualidade dos componentes de impressão 3D. Por fim, o relatório afirma que, devido à forma sem contato entre a área de processamento e o sistema de iluminação, o ponto de laser ou padrão óptico das matérias-primas processadas pode ajudar a melhorar a estabilidade e a repetibilidade.

Dito isto, os processos de fabricação mais conhecidos de micro aditivos incluem DLP e micro litografia estéreo（ μ SLA), litografia micro estéreo de projeção (P μ SL), polimerização de dois fótons (2PP ou TPP), fabricação de metal baseada em litografia ( LMM), deposição eletroquímica e sinterização seletiva a laser em microescala (μ SLS).

Tecnologia de Projeção de Luz Direta (DLP)

A tecnologia DLP pode alcançar resolução de mícrons repetível combinando DLP com o uso de óptica adaptativa. Uma das principais diferenças entre SLA e SLA, que geralmente é chamado de muito semelhante, é que o SLA precisa usar laser para rastrear uma camada, enquanto o DLP usa uma fonte de luz de projeção para solidificar toda a camada de cada vez.

Micro estereolitografia（ μ SLA)

Também com base no empilhamento de camadas fotoinduzidas, a microlitografia estéreo (MPuSLA) é usada para construir componentes físicos expondo resina de polímero fotossensível ao laser ultravioleta.

Microlitografia estéreo de projeção (P μ SL)

P μ SL é uma fotopolimerização de alta resolução (até 0.6) desencadeada pela área de projeção μ m) A tecnologia de impressão 3D pode produzir arquiteturas 3D complexas cobrindo várias escalas e materiais. Máquinas baseadas neste processo são geralmente consideradas para combinar as vantagens das tecnologias DLP e SLA. Devido à sua acessibilidade, precisão, velocidade e capacidade de processar polímeros, biomateriais e cerâmicas, o processo se desenvolveu rapidamente.

Fabricação de metais com base em fotolitografia

Após dispersão uniforme na resina fotossensível, o pó metálico é então polimerizado seletivamente por exposição à luz azul. As peças verdes impressas em 3D são então sinterizadas no forno para obter peças densas.

Polimerização de dois fótons (2PP ou TPP)

Este processo é geralmente considerado o mais preciso das micro impressoras 3D. 2PP é um método de escrita direta a laser, que pode funcionar em microestruturas 3D e 2.5D sem geração de máscara cara e litografia múltipla. Pode-se dizer que o 2PP desempenhou todo o seu potencial entre a litografia sem máscara e a fabricação aditiva de alta precisão.

De acordo com o entendimento de mercado da 3D Science Valley, a 2PP tem promovido a microfabricação de peças em substratos planos de nível wafer, por exemplo, nos campos de aplicação de fibras ópticas, chips fotônicos e canais microfluídicos com selos internos.

O 2PP requer resina fotossensível especial para facilitar o processamento, alcançar resolução e precisão de forma ideais e ser adaptado para diferentes aplicações. Atualmente, a impressão 3D de alta precisão baseada na polimerização de dois fótons é muito adequada para prototipagem rápida de projetos de aplicações, como equipamentos biomédicos, micro ótica, MEMS, equipamentos microfluídicos, embalagens fotônicas (como PIC), projetos de engenharia de superfície, etc. Os recursos de processamento de wafer tornam o processamento em lote e a produção em pequenos lotes de micropeças 3D mais fáceis do que nunca.

Deposição eletroquímica

A deposição eletroquímica é uma tecnologia de impressão micro 3D rara sem qualquer pós-processamento. Esse processo usa um pequeno bico de impressão chamado ponta de íon e o mergulha em um banho de eletrólito de suporte. A pressão de ar regulada empurra o líquido contendo íons metálicos através do microcanal na ponta de íons. No final do microcanal, o líquido contendo íons é liberado para a superfície de impressão. Os íons metálicos dissolvidos são então eletrodepositados em átomos de metal sólido. O último então cresce em blocos de construção maiores (voxels) até que a peça seja formada.

Sinterização seletiva a laser em microescala (μ SLS)

Essa fabricação aditiva baseada na fusão em leito de pó, também conhecida como sinterização a laser seletiva em nível de mícron (SLS), envolve o revestimento de uma camada de tinta de nanopartículas metálicas no substrato e, em seguida, a secagem para gerar uma camada uniforme de nanopartículas. O laser então sinterizou as nanopartículas no padrão desejado. Em seguida, repita o processo até que a peça seja criada.

Fascinantes pequenas peças

Com o progresso de novas tecnologias de processamento, como litografia em escala de cinza de dois fótons (2GL) e a combinação de lasers de maior potência e hardware aprimorado (como palco e scanner), o status quo da manufatura aditiva micro mudou. Em contrapartida, outras tecnologias de manufatura aditiva mais tradicionais, como DLP, SLA e microlitografia estéreo de projeção (P μ SL) só podem fabricar estruturas maiores, porém, quando se trata de alta resolução (<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="">

De acordo com a observação de mercado da 3D Science Valley, a Nanoscribe fornece uma nova solução industrial para embalagem de fótons com o recém-lançado Quantum X align. A perda de acoplamento é reduzida através da correspondência de campo de modo no nível do componente em vez do nível do chip. A impressão 3D de alta precisão com alinhamento automático de nano precisão promove a fabricação direta de microelementos ópticos em chips fotônicos e núcleos de fibra, e a impressão direta de microelementos ópticos de forma livre ou elementos ópticos difrativos (DOE) em locais apropriados, promovendo assim acoplamento em plataformas fotônicas.

A litografia em escala de cinza de dois fótons (2GL) proprietária da Nanoscribe acelera significativamente a microusinagem de alta precisão de estruturas 2.5D para aplicações ópticas, como a mais alta precisão de forma e superfícies de grau óptico (Ra menor ou igual a 5 nm). Para expandir ainda mais a escala de produção, a Nanoscribe experimentou duas estratégias de replicação confiáveis ​​e comprovadas com o EV Group e a kdg optom.

Como qualquer processo de impressão 3D, a microimpressão 3D permite que seus usuários se beneficiem da liberdade de design. Um dos desafios no campo da integração fotônica, computação óptica e comunicação de dados é promover o alinhamento e empacotamento de componentes fotônicos. Soluções especiais de impressão 3D baseadas em hardware e software podem alcançar um acoplamento eficiente de baixo nível de luz.

Em comparação com as mesmas peças fabricadas pelo processo de fabricação tradicional, a velocidade de fabricação de uma pequena peça é fascinante. Com o desenvolvimento de microprodutos miniaturizados, a microimpressão 3D é aplicável a todas as indústrias que lidam com peças pequenas e de precisão. Tradicionalmente, o custo de fabricação de peças pequenas era alto, enquanto a manufatura micro aditiva agora oferece soluções mais baratas e fáceis de usar.

Saber é profundo, mas fazer está longe. Com base na rede global de especialistas da indústria de manufatura, a 3D Science Valley fornece à indústria uma observação aprofundada de materiais aditivos e manufatura inteligente de uma perspectiva global. Para obter mais análises sobre manufatura aditiva, preste atenção à série de white papers lançados pela 3D Science Valley.