نظرة ثاقبة على الطباعة ثلاثية الأبعاد الدقيقة - رؤية فريدة في تقنية التصنيع المضافة

بشكل عام ، تم تطوير معظم الابتكارات في الصناعة التحويلية حول القدرة على إنتاج أجزاء كبيرة مطبوعة ثلاثية الأبعاد. ومع ذلك ، مع تزايد الطلب على المعدات المصغرة في مجالات الإلكترونيات والتكنولوجيا الحيوية والسيارات والفضاء ، أصبح الناس مهتمين بشكل متزايد بتكنولوجيا تصنيع المواد المضافة الدقيقة. إذن ، ما هو حجم سوق القطع الصغيرة؟ في هذا العدد ، استنادًا إلى تحليل JRg Smolenski ، يجتمع مدير تطوير الأعمال في Nanoscribe و 3D Science Valley و Guyou معًا لفهم المبادئ الأساسية والأنواع المختلفة لتقنية تصنيع الإضافات الدقيقة ، فضلاً عن المزايا الرئيسية لتصنيع الإضافات الدقيقة التكنولوجيا التي يمكن أن تساعد السوق على المضي قدمًا والمجالات التي تحتاج إلى تحسين.

تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد الدقيقة

NanoScribe

لا يمكن الاستغناء عن العالم الصغير

عادة ما يستخدم مصطلح التصنيع المضاف الجزئي بالتبادل مع الآلات الدقيقة ثلاثية الأبعاد أو التصنيع الإضافي عالي الدقة ، ولكن في الواقع ، ليست مرادفات دقيقة. بشكل عام ، يشير التصنيع الإضافي إلى بيئة التصنيع الصناعي ، والمعالجة الدقيقة ثلاثية الأبعاد هي مصطلح عام يصف جميع الطرق ، مثل طريقة الليثوغرافيا الضوئية التي تحظى بشعبية كبيرة وتستخدم على نطاق واسع في تصنيع النظم الكهروميكانيكية الصغرى (هذا سوق ناضج ضخم ، والطريقة) ناضجة جدا). هناك العديد من طرق المعالجة الدقيقة ثلاثية الأبعاد الأخرى ، مثل طرق الموائع الدقيقة ، والطرق الرقمية القائمة على الطباعة الحجرية بالحزمة الإلكترونية ، وما إلى ذلك.

لتوضيح حالة تقنية تصنيع المواد المضافة الدقيقة ، من المفترض أنه في الطباعة ثلاثية الأبعاد ، يتم إنشاء جزء أولاً ووصفه رقميًا من خلال مصفوفة نقطية ، حيث تمثل النقطة (فوكسل) وحدة طباعة دنيا. يتراوح حجم فوكسل من نانومتر إلى مجهري. لذلك ، تتطلب عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد الدقيقة استخدام وحدات البكسل الميكرون أو ما دون الميكرون ، وهو أمر بالغ الأهمية لتصنيع المنتجات الدقيقة. لذلك ، يشير مصطلح "الطباعة الدقيقة ثلاثية الأبعاد" إلى تصنيع الأجزاء الصغيرة فائقة الدقة التي لا يمكن تحقيق شكلها باستخدام عملية التشكيل بالحقن الدقيقة وأنواع أخرى من عمليات التصنيع التقليدية.

وفقًا لـ 3D Science Valley ، هناك تركيزان مختلفان في تطوير تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد ، أحدهما هو تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد كبيرة الحجم. ينصب التركيز الآخر على الجانب الجزئي ، أي تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد القادرة على تصنيع الأجهزة الدقيقة والأجهزة الدقيقة. يمكن للطباعة ثلاثية الأبعاد بتقنية Micro nano أن تنتج أجهزة معقدة ورائعة ، وهي تجسيد لمزايا تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد ، أو ستقلب صناعة تصنيع الأجهزة الدقيقة.

القوة الصغيرة تغير العالم! شارك 3D Science Valley ذات مرة أن التكنولوجيا الأساسية لشركة الطباعة ثلاثية الأبعاد على مستوى الميكرون Cytosurge تأتي من ETH Zurich University of Technology. استنادًا إلى تقنية FluidFM الحاصلة على براءة اختراع ، تقوم بتطوير وتصنيع وبيع طابعات معدنية ثلاثية الأبعاد مبتكرة عالية الدقة بتقنية النانو. تمثل هذه التقنية تقنية الفحص المجهري لقوة السوائل ، ولها العديد من التطبيقات في علوم الحياة والفيزياء الحيوية.

في الصين ، ستعمل تكنولوجيا التصنيع الدقيقة ثلاثية الأبعاد الذكية المستقبلية مع دقة مستوى الميكرون في البحيرة الغربية على سد فجوة السوق من مئات النانومتر إلى مئات الميكرونات في الآلات الدقيقة في المجالات الإلكترونية والبصرية من خلال دمج المعادن والسيراميك والمواد المغناطيسية والبوليمرات ، إلخ.

عندما يتم قياس الجزء بسمك طبقة 5 ميكرون ودقة 2 ميكرون في ميكرومتر أحادي الرقم ، تبدأ عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد الدقيقة. ومن المثير للاهتمام ، أن بعض عمليات تصنيع المواد المضافة الدقيقة يمكن أن تنتج مكونات تقاس بالنانومتر (نانومتر) ، 1000 مرة أصغر من الميكرون. من أجل تصور أفضل لما هو عليه هذا المستوى من التصنيع الدقيق ، على سبيل المثال ، يتذكر الناس عادة أن متوسط ​​عرض شعر الإنسان هو 75 ميكرون ، في حين أن قطر خيوط الحمض النووي للإنسان هو 2.5 نانومتر.

في التصغير ، يعد التحكم في الأبعاد الكلية أمرًا بالغ الأهمية ، ويمكن للطباعة ثلاثية الأبعاد الدقيقة أن تحقق "المستوى التالي" من التصغير. على وجه التحديد ، التطبيقات مثل الإلكترونيات والبصريات وأشباه الموصلات والأجهزة الطبية والأدوات الطبية والقولبة بالحقن الدقيق والموائع الدقيقة وأجهزة الاستشعار هي المجالات التي تلعب فيها الطباعة ثلاثية الأبعاد الدقيقة دورًا فريدًا.

على سبيل المثال ، يمكن استخدام الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد عالية الدقة كسقالة مخصصة لهندسة الأنسجة وأبحاث الخلايا ، وهي قابلة للتطبيق على العديد من البيئات الدقيقة الطبية الحيوية المبتكرة الأخرى التي تتطلب الدقة والسرعة وتنوع المواد والعقم. يمكن للمعالجة الدقيقة ثلاثية الأبعاد أن تجعل أبحاث علوم الحياة أقرب إلى مفهوم الطب التجديدي لعلاج الأمراض في هذا المجال. على سبيل المثال ، طور العلماء في جامعة بوسطن منصة زراعة خلوية ناعمة ونشطة ميكانيكيًا من خلال منصة شرائح ميكروفلويديك المصنعة بواسطة بلمرة ثنائية الفوتون (2PP) لدراسة أنسجة عضلة القلب في بيئة مكروية ثلاثية الأبعاد قابلة للتخصيص. تسمح منصة زراعة الخلايا هذه بنمو أنسجة القلب في بيئة ثلاثية الأبعاد ، ويمكنها مراقبة تجميعها الذاتي في موقع مرفق الخلية على الجدار العمودي للرقاقة. يقيس المستشعر الإلكتروني المتكامل القوة الناتجة عن تقلص خلايا القلب المزروعة. بالإضافة إلى ذلك ، قام الباحثون بدمج مشغل ميكانيكي في الشريحة. مع هذا المشغل ، درس العلماء آثار الإجهاد الميكانيكي المستمر والديناميكي على أنسجة القلب. يمكننا أن نتوقع العديد من التطبيقات المثيرة الأخرى للطباعة ثلاثية الأبعاد الدقيقة في هندسة الأنسجة وبيولوجيا الخلية والطب التجديدي.

يمكن للطباعة الحجرية المدمجة ثنائية الفوتون ذات المقياس الرمادي (2GL) وتقنية ضبط فوكسل الأساسية أن تنتج هياكل دقيقة 2.5D بدقة شكل دون الميكرون وخشونة سطح أقل من 5 نانومتر (Ra).

NanoScribe

بشكل عام ، نعتقد أن 10 ميكرون وأقل هي تصنيع مضافات دقيقة. بالطبع ، إذا كانت كل هذه في نطاق 1-3 ميكرون ، فهذا هو أدق تعريف للميكرو AM.

مثل عدة أنواع من عمليات AM ، هناك أيضًا أنواع مختلفة من عمليات AM الصغرى ، بما في ذلك: ترسيب الصمامات (FFD) ، الكتابة بالحبر المباشر (DIW) ، ترسيب الطاقة المباشر (DED) ، تصنيع الأجسام المصفحة (LOM) ، الطباعة الكهروهيدروديناميكية للأكسدة ( EHDP) ، ذوبان طبقة المسحوق (PBF) ، الطباعة ثلاثية الأبعاد القائمة على البلمرة الضوئية (P3DP) ، وترسيب البخار الكيميائي بالليزر (LCVD).

تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد الدقيقة

ورقة بيضاء حول وادي العلوم ثلاثية الأبعاد

تعد عملية الطباعة الدقيقة ثلاثية الأبعاد القائمة على الراتنج حاليًا أكثر العمليات شهرة في السوق نظرًا لمزاياها من حيث الدقة والجودة وقابلية التكرار والسرعة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تحقق DED و EHDP دقة أعلى. ومع ذلك ، فإن التكلفة العالية ومعدل التصنيع المنخفض المرتبط بهذه العمليات يحد من تطبيقها. ومع ذلك ، نظرًا لدقتها المحدودة ، لا يزال لديهم قيود في تحقيق الأجزاء أو الهياكل الصغيرة عالية الدقة.

مقارنة بهذه الطرق ، يمكن أن تنتج 2PP الخاصة بـ Nanoscribe حدًا أدنى لحجم الميزة يصل إلى 100 نانومتر. وفقًا للبحث ، أدى تطوير طرق بصرية جديدة إلى تقدم عملية تصنيع المواد المضافة الدقيقة ، وخاصة عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد القائمة على البلمرة الضوئية. وفقًا للخبراء ، يمكن أن يؤدي استخدام مصادر الضوء ذات الأطوال الموجية الأقصر (مثل الأشعة فوق البنفسجية) والعدسات الموضوعية ذات الفتحة العددية NA أعلى إلى تحقيق دقة أعلى - والتي تعد عادةً أحد أبرز التحديات في micro AM.

مقارنة بالطرق الأخرى القائمة على المعالجة الحرارية والتصفيح ، فإن الطريقة البصرية تجعل اتصال وحدات البكسل المجاورة أقوى. تساعد خطوات المعالجة اللاحقة مثل المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية أيضًا على تحسين جودة مكونات الطباعة ثلاثية الأبعاد. أخيرًا ، يشير التقرير إلى أنه نظرًا لعدم التلامس بين منطقة المعالجة ونظام الإضاءة ، يمكن أن تساعد بقعة الليزر أو النمط البصري للمواد الخام المعالجة في تحسين الاستقرار والتكرار.

بعد قولي هذا ، تشمل عمليات التصنيع الأكثر شهرة للمواد المضافة الدقيقة DLP والطباعة الحجرية المجسمة الدقيقة （μ SLA) ، والطباعة الحجرية المجسمة الصغيرة الإسقاط (P μ SL) ، وبلمرة ثنائية الفوتون (2PP أو TPP) ، وتصنيع المعادن القائمة على الطباعة الحجرية ( LMM) ، الترسيب الكهروكيميائي والتلبيد الانتقائي بالليزر （μ SLS).

تقنية الإسقاط الضوئي المباشر (DLP)

يمكن أن تحقق تقنية DLP دقة ميكرون قابلة للتكرار من خلال الجمع بين DLP واستخدام البصريات التكيفية. أحد الاختلافات الرئيسية بين SLA و SLA ، والذي يطلق عليه عادةً متشابه جدًا ، هو أن SLA يحتاج إلى استخدام الليزر لتتبع طبقة واحدة ، بينما يستخدم DLP مصدر ضوء الإسقاط لتدعيم الطبقة بأكملها في وقت واحد.

الطباعة الحجرية المجسمة الدقيقة （μ SLA)

استنادًا أيضًا إلى تكديس الطبقات الضوئية ، تُستخدم الطباعة الحجرية المجسمة الدقيقة (MPuSLA) لبناء مكونات مادية عن طريق تعريض راتينج البوليمر الحساس للضوء لليزر فوق البنفسجي.

الطباعة الحجرية المجسمة الصغيرة الإسقاط (P μ SL)

تعد P μ SL دقة عالية (تصل إلى 0. 6) بلمرة ضوئية يتم تشغيلها بواسطة إسقاط منطقة ميكرومتر) يمكن لتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد إنتاج بنى ثلاثية الأبعاد معقدة تغطي مقاييس ومواد متعددة. تعتبر الآلات التي تعتمد على هذه العملية بشكل عام أنها تجمع بين مزايا تقنيات DLP و SLA. نظرًا لقدرتها على تحمل التكاليف ودقتها وسرعتها وقدرتها على معالجة البوليمرات والمواد الحيوية والسيراميك ، فقد تطورت العملية بسرعة.

تصنيع المعادن على أساس الليثوغرافيا الضوئية

بعد التشتت المنتظم في الراتنج الحساس للضوء ، يتم بعد ذلك بلمرة المسحوق المعدني بشكل انتقائي بالتعرض للضوء الأزرق. ثم يتم تلبيد الأجزاء الخضراء المطبوعة ثلاثية الأبعاد في الفرن للحصول على أجزاء كثيفة.

بلمرة الفوتون اثنين (2PP أو TPP)

تعتبر هذه العملية بشكل عام هي الأكثر دقة من بين الطابعات ثلاثية الأبعاد الدقيقة. 2PP هي طريقة للكتابة بالليزر المباشر ، والتي يمكن أن تعمل على هياكل مجهرية ثلاثية الأبعاد و 2.5 دي دون الحاجة إلى إنشاء أقنعة باهظة الثمن وطباعة حجرية متعددة. يمكن القول أن 2PP قد لعبت كامل إمكاناتها بين الطباعة الحجرية بدون قناع وتصنيع المواد المضافة عالية الدقة.

وفقًا لفهم السوق لـ 3D Science Valley ، عززت 2PP التصنيع الدقيق للأجزاء على ركائز مستوية على مستوى الرقاقة ، على سبيل المثال ، في مجالات تطبيق الألياف الضوئية والرقائق الضوئية وقنوات الموائع الدقيقة ذات الأختام الداخلية.

تتطلب 2PP راتينجًا خاصًا حساسًا للضوء لتسهيل المعالجة ، وتحقيق الدقة المثلى ودقة الشكل ، ومصممة لتطبيقات مختلفة. في الوقت الحالي ، تعد الطباعة ثلاثية الأبعاد عالية الدقة القائمة على البلمرة ثنائية الفوتون مناسبة جدًا للنماذج الأولية السريعة لتصميم التطبيق ، مثل المعدات الطبية الحيوية ، والبصريات الدقيقة ، و MEMS ، ومعدات الموائع الدقيقة ، والتعبئة الضوئية (مثل PIC) ، ومشاريع هندسة الأسطح ، إلخ. • تجعل قدرات معالجة الرقائق معالجة الدُفعات والإنتاج على دفعات صغيرة من الأجزاء الدقيقة ثلاثية الأبعاد أسهل من أي وقت مضى.

الترسيب الكهروكيميائي

الترسيب الكهروكيميائي هو تقنية طباعة ثلاثية الأبعاد دقيقة نادرة دون أي معالجة لاحقة. تستخدم هذه العملية فوهة طباعة صغيرة تسمى طرف أيوني وتغمرها في حمام إلكتروليت داعم. يدفع ضغط الهواء المنظم السائل الذي يحتوي على أيونات معدنية عبر القناة الدقيقة في طرف الأيونات. في نهاية القناة الدقيقة ، يتم إطلاق السائل المحتوي على الأيونات إلى سطح الطباعة. يتم بعد ذلك ترسيب أيونات المعدن المذاب في ذرات فلز صلبة. ثم ينمو الأخير إلى كتل بناء أكبر (فوكسل) حتى يتم تشكيل الجزء.

التلبيد الانتقائي بالليزر （μ SLS)

يعتمد هذا التصنيع الإضافي على اندماج طبقة المسحوق ، والمعروف أيضًا باسم تلبيد الليزر الانتقائي على مستوى الميكرون (SLS) ، ويتضمن طلاء طبقة من حبر جزيئات النانو المعدنية على الركيزة ، ثم تجفيفها لتوليد طبقة جسيمات متناهية الصغر. ثم يقوم الليزر بتلبيد الجسيمات النانوية في النمط المطلوب. ثم كرر العملية حتى يتم إنشاء الجزء.

أجزاء صغيرة رائعة

مع تقدم تقنيات المعالجة الجديدة ، مثل الطباعة الحجرية ثنائية الفوتون الرمادية (2GL) والجمع بين أشعة الليزر ذات الطاقة العالية والأجهزة المحسّنة (مثل المرحلة والماسح الضوئي) ، تغير الوضع الراهن لتصنيع الإضافات الدقيقة. على النقيض من ذلك ، فإن تقنيات التصنيع المضافة التقليدية الأخرى ، مثل DLP و SLA والطباعة الحجرية المجسمة الصغيرة (P μ SL) يمكنها فقط تصنيع هياكل أكبر ، ومع ذلك ، عندما يتعلق الأمر بالدقة العالية (<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="">

وفقًا لملاحظة السوق لـ 3D Science Valley ، يوفر Nanoscribe حلاً صناعيًا جديدًا لتعبئة الفوتون مع محاذاة Quantum X التي تم إطلاقها مؤخرًا. يتم تقليل خسارة الاقتران من خلال مطابقة حقل الأسلوب على مستوى المكون بدلاً من مستوى الشريحة. تعمل الطباعة ثلاثية الأبعاد عالية الدقة مع المحاذاة الأوتوماتيكية الدقيقة بالنانو على تعزيز التصنيع المباشر للعناصر البصرية الدقيقة على الرقائق الضوئية ولباب الألياف ، والطباعة المباشرة للعناصر البصرية الدقيقة ذات الشكل الحر أو العناصر البصرية الانكسارية (DOE) في المواقع المناسبة ، وبالتالي تعزيز البصري الأمثل اقتران على منصات فوتونية.

تعمل الطباعة الحجرية ذات المقياس الرمادي ثنائي الفوتون (2GL) الخاصة بشركة Nanoscribe على تسريع المعالجة الدقيقة عالية الدقة لهياكل 2.5D للتطبيقات الضوئية ، مثل أعلى دقة للشكل وأسطح الدرجة البصرية (Ra أقل من أو يساوي 5 نانومتر). من أجل توسيع نطاق الإنتاج بشكل أكبر ، جرب Nanoscribe إستراتيجيتين موثوقتين ومثبتتين للتكرار مع EV Group و kdg opticom.

مثل أي عملية طباعة ثلاثية الأبعاد ، تتيح الطباعة ثلاثية الأبعاد الدقيقة لمستخدميها الاستفادة من حرية التصميم. يتمثل أحد التحديات في مجال التكامل الضوئي والحوسبة الضوئية واتصالات البيانات في تعزيز محاذاة المكونات الضوئية وتعبئتها. يمكن لحلول الطباعة ثلاثية الأبعاد الخاصة القائمة على الأجهزة والبرامج أن تحقق اقترانًا فعالاً بمستوى الإضاءة المنخفضة.

بالمقارنة مع نفس الأجزاء المصنعة بواسطة عملية التصنيع التقليدية ، فإن سرعة تصنيع جزء صغير رائعة. مع تطوير المنتجات الدقيقة المصغرة ، فإن الطباعة ثلاثية الأبعاد الدقيقة قابلة للتطبيق على جميع الصناعات التي تتعامل مع الأجزاء الصغيرة والدقيقة. تقليديا ، كانت تكلفة تصنيع الأجزاء الصغيرة مرتفعة ، في حين أن تصنيع الإضافات الدقيقة يوفر الآن حلولًا أرخص وأسهل في الاستخدام.

المعرفة عميقة ، لكن العمل بعيد. استنادًا إلى شبكة مراكز الفكر العالمية المتخصصة في الصناعة التحويلية ، يوفر 3D Science Valley للصناعة مراقبة متعمقة للمواد المضافة والتصنيع الذكي من منظور عالمي. لمزيد من التحليل حول التصنيع الإضافي ، يرجى الانتباه إلى سلسلة الأوراق البيضاء الصادرة عن 3D Science Valley.