干貨 | 微納米3D打印技術市場應用解讀

時間:2019-12-13

如今,3D打印已經成為一項高度普及的技術,也是受到廣泛關注的熱門話題之一。簡單說,3D打印就是一種“快速成型”的技術,它以數字模型文件為基礎,運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料,通過“逐層打印”的方式來構造物體的技術。
從宏觀與微觀的角度分別來看,3D打印技術有兩個不同的發展方向:一種是宏觀大尺寸的3D打印技術;一種是微納米尺寸的3D打印技術。

微納3D打印的三維模型

今天,讓我們來關注“微納米3D打印技術”。微納米3D打印是目前全球最前沿的先進制造領域之一。它是通過建立許多極薄的層將數字化電腦模型變成固態物體的一種先進微細加工技術。這種技術形成的復雜三維微納結構,在微納機電系統、生物醫療、組織工程、新材料(超材料、復合材料、光子晶體、功能梯度材料等)、新能源(太陽能電池、微型燃料電池等)、高清顯示、微流控器件、微光學器件、微傳感器、微電子、生物芯片等領域有著巨大的產業需求。

微納3D打印的染色體模型

微納尺度3D打印在復雜三維微納結構、高深寬比微納結構和復合(多材料)材料微納結構制造方面具有很高的潛能和突出優勢,而且還具有設備簡單、成本低、效率高、可使用材料種類廣、無需掩?;蚰>?、直接成形等優點,因此,微納米3D打印技術在近幾年正在受到越來越多的科研機構、企業以及終端用戶的青睞。微納尺度3D打印在復雜三維微納結構、高深寬比微納結構和復合(多材料)材料微納結構制造方面具有很高的潛能和突出優勢,而且還具有設備簡單、成本低、效率高、可使用材料種類廣、無需掩?;蚰>?、直接成形等優點,因此,微納米3D打印技術在近幾年正在受到越來越多的科研機構、企業以及終端用戶的青睞。

目前,在全球范圍內,主流的微納米3D打印技術分兩種:雙光子聚合TPP技術和面投影立體光刻技術(Projection Micro Litho Stereo Exposure)【1】。
雙光子聚合(TPP)微納米3D打印技術是一種利用超強激光脈沖光源使光感材料、可聚合材料、液體材料交合,并在激光束聚焦區域硬化的成型工藝。雙光子聚合采用了紅外飛秒脈沖激光作為光源,突破了光學衍射的限制,能夠制造分辨率高的納米尺度任意三維結構。雙光子吸收的發生主要在脈沖激光的焦點處,當焦點直徑只有幾百微米時,聚合成型物的直徑可以降到 100 nm 以下,獲得幾十納米的高精度尺寸。典型的雙光子聚合3D 打印系統是以飛秒激光源發射激光電源,先后經過快門后衰減器調節曝光時間和光強,最后經物鏡聚焦后照射到樹脂表面,在三維移動控制下按預定模型的路徑進行掃描成型。
面投影微立體光刻技術,使激光通過動態掩模上的圖形后能夠一次性曝光固化樹脂。該技術在固化中充分利用了氧氣阻礙聚合物的特點,更大幅度地提高了3D成型速率。
我們知道傳統的切削加工,包括機械、激光、超聲切削,屬于減材制造。減材制造最難以實現的部分之一體現在裝配上。尤其是在微尺度結構領域,增材制造去除了組裝的難度,甚至能夠取代裝配的步驟。在打印精度方面,傳統加工制造很難達到比較高的精度,而微觀的打印能夠輕易地達到10微米以下。

微納米3D打印技術在芯片領域的應用

3D打印的潛在優勢,體現在批量的個性化制造。在宏觀領域,相對比較難實現批量制造;而微結構的3D打印領域,為大規模個性化制造提供了可能性。比如在集成電路制造領域,第一代的集成電路只有4個單元,經過幾十年的發展,如今的集成電路有幾千萬個單元,這是隨著科技進步精細度不斷提升的結果。又比如,手機上的相機成本可以做到幾美元一個,而傳統的單方相機還是幾千美元。3D打印的微觀精密結構就在這些領域體現出了它的價值。


微納米3D打印芯片【2】

同時,微納米3D打印衍生出的無掩模光刻技術,也是芯片制造的關鍵技術之一,該項技術的突破將對我國未來芯片產業的發展產生積極影響,為加快我國芯片企業技術研發速度、趕超美國主流芯片企業具有促進作用,讓我們不再受制于人。

微納米3D打印技術在醫療領域

近年來科學家們采用微納米3D打印技術,已經打印出許多醫療器件與系統,例如“芯片實驗室”與“芯片上的器官”。

The microfluidic four-organ-chip at a glance[3]

芯片實驗室,簡單說,就是將實驗室搬到了芯片上。它可以將多種實驗室操作,例如樣品制備、生化反應、檢測分析,集成于一塊幾平方厘米的芯片上,對于細菌、病毒、污染物、生物標記物等進行檢測和分析,幫助監測人體健康狀況。芯片上的器官,也稱為“器官芯片”,其實就是一種多通道的三維微流體細胞培養芯片。它可以模擬人體器官或者整個器官系統的活動、力學和生理反應,或者說是一種人造器官。
在其它領域,微納3D打印還處于更早期的階段,但是我們已經看到了無限前景。微納3D打印能實現的精密器件數不勝數,例如心血管支架、內窺鏡、特定的電子接插件等。就目前來看,這些領域與國內的產業鏈結合,還需要一定時間。


通過微納3D打印技術打印的眼鏡鏡片(圖片來自南極熊)

3D打印多功能復雜結構在制造行業具有重要作用,例如用于MEMS,可拉伸/柔性微電子學,傳感器件,微天線和組織工程的部件。為了實現3D打印多功能納米復合材料的全部潛力,仍然需要在材料和技術兩個方面同時進步。首先是材料的設計,實現微納米器件功能性主要方法就在于如何去改性3D打印 “墨汁”,例如由于3D打印是一種層層堆積的制造技術,層與層之間的粘結緊密與否極大地影響了電極的機械性能,因此對于材料的研究十分重要。另外的一個研究方向就是對于3D打印工藝的研究,即通過控制成形參數控制微觀結構,以及如何設計硬件及軟件,實現更高分辨率的打印。

在微納3D打印方面,上海普利生機電科技有限公司(以下簡稱Prismlab普利生)獨立擁有相關技術;并且,自2018年起國家重點研發計劃項目《微納結構增材制造工藝與裝備》由國務院科技部批準設立,由Prismlab普利生牽頭,東南大學、南京大學、南京航空航天大學、華東理工大學、華中科技大學、中國科學技術大學、長春理工大學以及蘇州賽菲集團有限公司聯合進行。


Prismlab普利生國家重點研發計劃項目《微納結構增材制造工藝與裝備》簽約儀式

微納制造一直是世界科學技術的前沿,可以獲得和宏觀尺度下不同的特性。傳統工藝目前往往采用和芯片制造類似的MEMS工藝,成本非常高昂,難以加工復雜三維結構。而Prismlab普利生將運用其先進的微納3D打印技術,使復雜部件的定制化更加容易,其生產速度也較“雙光子微納3D打印技術”大幅提高。

Prismlab普利生是世界領先的光固化(SLA)3D打印解決方案提供商,一直潛心于3D打印技術研發,并于2016年開始發力微納3D打印技術,目前已經取得了多項重要成果。Prismlab普利生以過硬的產品、優質的服務以及快速的研發響應能力,穩健的從工業端走入細分領域,提供并創造各種對未來制造有深遠影響的3D打印解決方案,并獲得各行業內知名企業客戶的一致認可。
和所有新興技術一樣,微納3D打印正變得更加精密、功能更強大、成本更低。當然新的技術出現時,也會面對一定的挑戰。所謂“追求越極致,挑戰就越大”。 在業界人士的推動下,微納3D打印有望在技術研發和實際應用過程中實現全新的突破,并展現出其獨有的魅力。 Prismlab普利生相信在未來微納米尺度3D打印能夠在更多領域發揮出更大的價值。

參考資料:
【1】引自:”面投影微立體光刻微納3D打印及其應用前景” – William Plummer
【2】張磊,田東斌,伍權.3D打印技術及其在電子元器件領域的應用[J].電子元件與材料,2019,38(06):20-25.
【3】引自: Autologous induced pluripotent stem cell-derived four-organ-chip[J]. Future Science OA,2019,5(8).





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