Un aperçu de la micro-impression 3D - Un aperçu unique de la technologie de fabrication additive

En général, la plupart des innovations dans l'industrie manufacturière sont développées autour de la capacité de produire de grandes pièces imprimées en 3D. Cependant, avec la demande croissante d'équipements miniaturisés dans les domaines de l'électronique, de la biotechnologie, de l'automobile et de l'aérospatiale, les gens s'intéressent de plus en plus à la technologie de fabrication du micro additif. Alors, quelle est la taille du marché des petites pièces ? Dans ce numéro, basé sur l'analyse de JRg Smolenski, le responsable du développement commercial de Nanoscribe, 3D Science Valley et Guyou se réunissent pour comprendre les principes de base et les différents types de technologie de fabrication micro additive, ainsi que les principaux avantages de la fabrication micro additive la technologie qui peut aider le marché à progresser et les domaines qui doivent être améliorés.

Technologie d'impression micro-3D

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L'irremplaçable du petit monde

Le terme micro-fabrication additive est généralement utilisé de manière interchangeable avec le micro-usinage 3D ou la fabrication additive de haute précision, mais en fait, ce ne sont pas des synonymes exacts. Généralement, la fabrication additive fait davantage référence à l'environnement de fabrication industrielle, et le micro-traitement 3D est un terme général décrivant toutes les méthodes, telles que la méthode de photolithographie qui est très populaire et largement utilisée dans la fabrication de MEMS (il s'agit d'un énorme marché mature, et la méthode est très mature). Il existe de nombreuses autres méthodes de micro-usinage 3D, telles que les méthodes de microfluidique, les méthodes numériques basées sur la lithographie par faisceau d'électrons, etc.

Afin d'illustrer l'état de la technologie de fabrication micro-additive, on suppose qu'en impression 3D, une pièce est d'abord construite et décrite numériquement à travers un réseau de points, où un point (voxel) représente une unité d'impression minimale. La taille des voxels varie du nanomètre au macroscopique. Par conséquent, le processus d'impression micro 3D nécessite l'utilisation de voxels microniques ou submicroniques, ce qui est crucial pour la fabrication de micro-produits. Par conséquent, le terme "impression micro 3D" fait référence à la fabrication de pièces minuscules de très haute précision dont la forme ne peut pas être obtenue en utilisant le procédé de moulage par micro-injection et d'autres types de procédés de fabrication traditionnels.

Selon 3D Science Valley, il existe deux objectifs différents dans le développement de la technologie d'impression 3D, dont l'un est la technologie d'impression 3D grand format. Un autre accent est mis sur l'aspect micro, c'est-à-dire la technologie d'impression 3D capable de fabriquer des micro-dispositifs de précision. L'impression micro nano 3D peut produire des dispositifs complexes et fins, qui incarnent les avantages de la technologie d'impression 3D, ou bouleversera l'industrie de la fabrication de dispositifs de précision.

La petite puissance change le monde ! 3D Science Valley a déjà partagé que la technologie de base de la société d'impression 3D au niveau du micron Cytosurge provient de l'ETH Zurich University of Technology. Sur la base de sa technologie brevetée FluidFM, elle développe, fabrique et commercialise des imprimantes 3D métal nanotechnologiques innovantes de haute précision. Cette technologie représente la technologie de microscopie à force fluide et a de nombreuses applications dans les sciences de la vie et la biophysique.

En Chine, la future technologie de fabrication de précision 3D intelligente avec une précision au micron de West Lake comblera l'écart de marché de centaines de nanomètres à centaines de microns dans l'usinage de précision dans les domaines électronique et optique en intégrant le métal, la céramique, les matériaux magnétiques, les polymères, etc.

Lorsque la pièce est mesurée à une épaisseur de couche de 5 microns et une résolution de 2 microns en micromètres à un seul chiffre, le processus d'impression micro 3D est lancé. Fait intéressant, certains procédés de fabrication micro-additifs peuvent produire des composants mesurés en nanomètres (nm), 1000 fois plus petits qu'un micron. Afin de mieux visualiser à quoi ressemble ce niveau de micro-fabrication, par exemple, les gens se souviennent généralement que la largeur moyenne des cheveux humains est de 75 microns, tandis que le diamètre des brins d'ADN humain est de 2,5 nanomètres.

Dans la miniaturisation, le contrôle des dimensions globales est crucial, et la micro-impression 3D peut atteindre "le prochain niveau" de miniaturisation. Plus précisément, des applications telles que l'électronique, l'optique, les semi-conducteurs, les dispositifs médicaux, les outils médicaux, le moulage par micro-injection, la microfluidique et les capteurs sont les domaines où la micro-impression 3D joue un rôle unique.

Par exemple, la bioimpression 3D de haute précision peut être utilisée comme échafaudage personnalisé pour l'ingénierie tissulaire et la recherche cellulaire, et s'applique à de nombreux autres microenvironnements biomédicaux innovants qui nécessitent précision, vitesse, diversité des matériaux et stérilité. Le micro-traitement 3D peut rapprocher la recherche en sciences de la vie du concept de médecine régénérative pour traiter les maladies dans ce domaine. Par exemple, des scientifiques de l'Université de Boston ont développé une plate-forme de culture cellulaire douce et mécaniquement active via la plate-forme de puce microfluidique fabriquée par polymérisation à deux photons (2PP) pour étudier le tissu myocardique dans un microenvironnement 3D personnalisable. Cette plate-forme de culture cellulaire permet au tissu cardiaque de se développer dans un environnement 3D et d'observer son auto-assemblage au niveau du site de fixation des cellules sur la paroi verticale de la puce. Le capteur électronique intégré mesure la force générée par la contraction des cellules cardiaques cultivées. De plus, les chercheurs ont intégré un actionneur mécanique dans la puce. Avec cet actionneur, les scientifiques ont étudié les effets d'une contrainte mécanique constante et dynamique sur le tissu cardiaque. Nous pouvons nous attendre à de nombreuses autres applications passionnantes de la micro-impression 3D dans l'ingénierie tissulaire, la biologie cellulaire et la médecine régénérative.

La lithographie à échelle de gris à deux photons (2GL) intégrée de Quantum X et sa technologie de base de réglage des voxels peuvent produire des microstructures 2,5D avec une précision de forme submicronique et une rugosité de surface inférieure à 5 nm (Ra).

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D'une manière générale, nous pensons que 10 microns et moins sont de la fabrication micro additive. Bien sûr, si tout cela se situe dans la plage de 1-3 microns, il s'agit de la définition la plus précise de micro AM.

Comme plusieurs types de processus de FA, il existe également différents types de processus de micro-FA, notamment : le dépôt de fusible (FFD), l'écriture directe à l'encre (DIW), le dépôt direct d'énergie (DED), la fabrication d'objets laminés (LOM), l'impression redox électrohydrodynamique ( EHDP), fusion sur lit de poudre (PBF), impression 3D basée sur la photopolymérisation (P3DP) et dépôt chimique en phase vapeur par laser (LCVD).

Technologie d'impression micro-3D

Livre blanc de la Vallée des sciences 3D

Le processus d'impression micro 3D à base de résine est actuellement le processus le plus reconnu sur le marché en raison de ses avantages en termes de résolution, de qualité, de reproductibilité et de vitesse. De plus, DED et EHDP peuvent atteindre une résolution plus élevée. Cependant, le coût élevé et la faible cadence de fabrication associés à ces procédés limitent leur application. Cependant, en raison de leur résolution limitée, ils ont encore des limites dans la réalisation de petites pièces ou structures de haute précision.

Comparé à ces méthodes, le 2PP de Nanoscribe peut produire une taille de caractéristique minimale aussi faible que 100 nm. Selon les recherches, le développement de nouvelles méthodes optiques a conduit au progrès du procédé de fabrication micro-additif, en particulier le procédé d'impression 3D basé sur la photopolymérisation. Selon les experts, l'utilisation de sources lumineuses avec des longueurs d'onde plus courtes (telles que des faisceaux UV) et des lentilles d'objectif avec une NA (ouverture numérique) plus élevée peut atteindre une résolution plus élevée - ce qui est généralement l'un des défis les plus importants en micro AM.

Par rapport à d'autres méthodes basées sur le traitement thermique et le laminage, la méthode optique renforce la connexion des voxels adjacents. Les étapes de post-traitement telles que le durcissement UV contribuent également à améliorer la qualité des composants d'impression 3D. Enfin, le rapport indique qu'en raison de la voie sans contact entre la zone de traitement et le système d'éclairage, le spot laser ou le motif optique des matières premières traitées peut contribuer à améliorer la stabilité et la répétabilité.

Cela dit, les procédés de fabrication les plus connus de micro-additifs comprennent la DLP et la micro-stéréolithographie (μ SLA), la micro-stéréolithographie par projection (P μ SL), la polymérisation à deux photons (2PP ou TPP), la fabrication de métaux à base de lithographie ( LMM), dépôt électrochimique et frittage sélectif au laser à l'échelle microscopique (μ SLS).

Technologie de projection de lumière directe (DLP)

La technologie DLP peut atteindre une résolution reproductible au micron en combinant le DLP avec l'utilisation de l'optique adaptative. L'une des principales différences entre SLA et SLA, qui est généralement appelée très similaire, est que SLA doit utiliser un laser pour suivre une couche, tandis que DLP utilise une source de lumière de projection pour solidifier la couche entière à la fois.

Micro stéréolithographie (μ SLA)

Également basée sur l'empilement de couches photoinduites, la micro stéréolithographie (MPuSLA) est utilisée pour construire des composants physiques en exposant une résine polymère photosensible à un laser ultraviolet.

Projection micro stéréolithographie (P μ SL)

P μ SL est une photopolymérisation haute résolution (jusqu'à 0.6) déclenchée par une projection de zone μ m) La technologie d'impression 3D peut produire des architectures 3D complexes couvrant plusieurs échelles et matériaux. Les machines basées sur ce procédé sont généralement considérées comme combinant les avantages des technologies DLP et SLA. En raison de son prix abordable, de sa précision, de sa rapidité et de sa capacité à traiter les polymères, les biomatériaux et les céramiques, le procédé s'est développé rapidement.

Fabrication métallique basée sur la photolithographie

Après dispersion homogène dans la résine photosensible, la poudre métallique est ensuite sélectivement polymérisée par exposition à la lumière bleue. Les pièces crues imprimées en 3D sont ensuite frittées dans le four pour obtenir des pièces denses.

Polymérisation à deux photons (2PP ou TPP)

Ce processus est généralement considéré comme le plus précis des micro-imprimantes 3D. 2PP est une méthode d'écriture laser directe, qui peut fonctionner sur des microstructures 3D et 2,5D sans génération de masque coûteuse ni lithographie multiple. On peut dire que le 2PP a joué tout son potentiel entre lithographie sans masque et fabrication additive de haute précision.

Selon la compréhension du marché de 3D Science Valley, 2PP a promu la microfabrication de pièces sur des substrats plans au niveau de la tranche, par exemple, dans les domaines d'application des fibres optiques, des puces photoniques et des canaux microfluidiques avec joints internes.

Le 2PP nécessite une résine photosensible spéciale pour faciliter le traitement, obtenir une résolution et une précision de forme optimales, et être adapté à différentes applications. À l'heure actuelle, l'impression 3D de haute précision basée sur la polymérisation à deux photons est très appropriée pour le prototypage rapide de la conception d'applications, telles que les équipements biomédicaux, la micro-optique, les MEMS, les équipements microfluidiques, les emballages photoniques (tels que PIC), les projets d'ingénierie de surface, etc. Les capacités de traitement de plaquettes rendent le traitement par lots et la production de petits lots de micro-pièces 3D plus faciles que jamais.

Dépôt électrochimique

Le dépôt électrochimique est une technologie rare d'impression micro 3D sans aucun post-traitement. Ce processus utilise une petite buse d'impression appelée pointe ionique et l'immerge dans un bain d'électrolyte de support. La pression d'air régulée pousse le liquide contenant des ions métalliques à travers le micro-canal de la pointe ionique. A l'extrémité du microcanal, le liquide contenant des ions est libéré sur la surface d'impression. Les ions métalliques dissous sont ensuite électrodéposés dans des atomes métalliques solides. Ce dernier se développe ensuite en blocs de construction plus grands (voxels) jusqu'à ce que la pièce soit formée.

Frittage sélectif au laser à l'échelle microscopique (μ SLS)

Cette fabrication additive basée sur la fusion sur lit de poudre, également connue sous le nom de frittage laser sélectif au niveau du micron (SLS), consiste à appliquer une couche d'encre à nanoparticules métalliques sur le substrat, puis à la sécher pour générer une couche uniforme de nanoparticules. Le laser a ensuite fritté les nanoparticules dans le motif souhaité. Répétez ensuite le processus jusqu'à ce que la pièce soit créée.

Petites pièces fascinantes

Avec les progrès des nouvelles technologies de traitement, telles que la lithographie à échelle de gris à deux photons (2GL) et la combinaison de lasers plus puissants et de matériel amélioré (tel que la platine et le scanner), le statu quo de la fabrication micro-additive a changé. En revanche, d'autres technologies de fabrication additive plus traditionnelles, telles que DLP, SLA et la micro stéréolithographie par projection (P μ SL) ne peuvent fabriquer que des structures plus grandes, cependant, lorsqu'il s'agit de haute résolution (<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="">

Selon l'observation du marché de 3D Science Valley, Nanoscribe fournit une nouvelle solution industrielle pour le conditionnement de photons avec l'alignement Quantum X récemment lancé. La perte de couplage est réduite grâce à l'adaptation de champ de mode au niveau du composant plutôt qu'au niveau de la puce. L'impression 3D de haute précision avec alignement automatique de nano précision favorise la fabrication directe de microéléments optiques sur des puces photoniques et des cœurs de fibre, et l'impression directe de microéléments optiques de forme libre ou d'éléments optiques diffractifs (DOE) aux emplacements appropriés, favorisant ainsi une optique optimale. couplage sur plateformes photoniques.

La lithographie en échelle de gris à deux photons (2GL) exclusive de Nanoscribe accélère considérablement le micro-usinage de haute précision des structures 2,5D pour les applications optiques, telles que la précision de forme la plus élevée et les surfaces de qualité optique (Ra inférieur ou égal à 5 ​​nm). Afin d'étendre encore l'échelle de production, Nanoscribe a testé deux stratégies de réplication fiables et éprouvées avec EV Group et kdg opticom.

Comme tout procédé d'impression 3D, la micro-impression 3D permet à ses utilisateurs de bénéficier de la liberté de conception. L'un des enjeux dans le domaine de l'intégration photonique, de l'informatique optique et de la communication de données est de favoriser l'alignement et le conditionnement des composants photoniques. Des solutions d'impression 3D spéciales basées sur du matériel et des logiciels peuvent obtenir un couplage efficace à faible niveau de lumière.

Par rapport aux mêmes pièces fabriquées par un procédé de fabrication traditionnel, la vitesse de fabrication d'une petite pièce est fascinante. Avec le développement de micro-produits miniaturisés, la micro-impression 3D est applicable à toutes les industries traitant des petites pièces et des pièces de précision. Traditionnellement, le coût de fabrication des petites pièces était élevé, tandis que la fabrication micro-additive fournit désormais des solutions moins chères et plus faciles à utiliser.

Savoir est profond, mais faire est loin. Basée sur le réseau mondial de groupes de réflexion d'experts de l'industrie manufacturière, 3D Science Valley fournit à l'industrie une observation approfondie des matériaux additifs et de la fabrication intelligente dans une perspective mondiale. Pour plus d'analyses sur la fabrication additive, veuillez prêter attention à la série de livres blancs publiée par 3D Science Valley.