干货 | 微纳米3D打印技术市场应用解读

时间:2019-12-13

如今,3D打印已经成为一项高度普及的技术,也是受到广泛关注的热门话题之一。简单说,3D打印就是一种“快速成型”的技术,它以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过“逐层打印”的方式来构造物体的技术。
从宏观与微观的角度分别来看,3D打印技术有两个不同的发展方向:一种是宏观大尺寸的3D打印技术;一种是微纳米尺寸的3D打印技术。

微纳3D打印的三维模型

今天,让我们来关注“微纳米3D打印技术”。微纳米3D打印是目前全球最前沿的先进制造领域之一。它是通过建立许多极薄的层将数字化电脑模型变成固态物体的一种先进微细加工技术。这种技术形成的复杂三维微纳结构,在微纳机电系统、生物医疗、组织工程、新材料(超材料、复合材料、光子晶体、功能梯度材料等)、新能源(太阳能电池、微型燃料电池等)、高清显示、微流控器件、微光学器件、微传感器、微电子、生物芯片等领域有着巨大的产业需求。

微纳3D打印的染色体模型

微纳尺度3D打印在复杂三维微纳结构、高深宽比微纳结构和复合(多材料)材料微纳结构制造方面具有很高的潜能和突出优势,而且还具有设备简单、成本低、效率高、可使用材料种类广、无需掩模或模具、直接成形等优点,因此,微纳米3D打印技术在近几年正在受到越来越多的科研机构、企业以及终端用户的青睐。微纳尺度3D打印在复杂三维微纳结构、高深宽比微纳结构和复合(多材料)材料微纳结构制造方面具有很高的潜能和突出优势,而且还具有设备简单、成本低、效率高、可使用材料种类广、无需掩模或模具、直接成形等优点,因此,微纳米3D打印技术在近几年正在受到越来越多的科研机构、企业以及终端用户的青睐。

目前,在全球范围内,主流的微纳米3D打印技术分两种:双光子聚合TPP技术和面投影立体光刻技术(Projection Micro Litho Stereo Exposure)【1】。
双光子聚合(TPP)微纳米3D打印技术是一种利用超强激光脉冲光源使光感材料、可聚合材料、液体材料交合,并在激光束聚焦区域硬化的成型工艺。双光子聚合采用了红外飞秒脉冲激光作为光源,突破了光学衍射的限制,能够制造分辨率高的纳米尺度任意三维结构。双光子吸收的发生主要在脉冲激光的焦点处,当焦点直径只有几百微米时,聚合成型物的直径可以降到 100 nm 以下,获得几十纳米的高精度尺寸。典型的双光子聚合3D 打印系统是以飞秒激光源发射激光电源,先后经过快门后衰减器调节曝光时间和光强,最后经物镜聚焦后照射到树脂表面,在三维移动控制下按预定模型的路径进行扫描成型。
面投影微立体光刻技术,使激光通过动态掩模上的图形后能够一次性曝光固化树脂。该技术在固化中充分利用了氧气阻碍聚合物的特点,更大幅度地提高了3D成型速率。
我们知道传统的切削加工,包括机械、激光、超声切削,属于减材制造。减材制造最难以实现的部分之一体现在装配上。尤其是在微尺度结构领域,增材制造去除了组装的难度,甚至能够取代装配的步骤。在打印精度方面,传统加工制造很难达到比较高的精度,而微观的打印能够轻易地达到10微米以下。

微纳米3D打印技术在芯片领域的应用

3D打印的潜在优势,体现在批量的个性化制造。在宏观领域,相对比较难实现批量制造;而微结构的3D打印领域,为大规模个性化制造提供了可能性。比如在集成电路制造领域,第一代的集成电路只有4个单元,经过几十年的发展,如今的集成电路有几千万个单元,这是随着科技进步精细度不断提升的结果。又比如,手机上的相机成本可以做到几美元一个,而传统的单方相机还是几千美元。3D打印的微观精密结构就在这些领域体现出了它的价值。


微纳米3D打印芯片【2】

同时,微纳米3D打印衍生出的无掩模光刻技术,也是芯片制造的关键技术之一,该项技术的突破将对我国未来芯片产业的发展产生积极影响,为加快我国芯片企业技术研发速度、赶超美国主流芯片企业具有促进作用,让我们不再受制于人。

微纳米3D打印技术在医疗领域

近年来科学家们采用微纳米3D打印技术,已经打印出许多医疗器件与系统,例如“芯片实验室”与“芯片上的器官”。

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

芯片实验室,简单说,就是将实验室搬到了芯片上。它可以将多种实验室操作,例如样品制备、生化反应、检测分析,集成于一块几平方厘米的芯片上,对于细菌、病毒、污染物、生物标记物等进行检测和分析,帮助监测人体健康状况。芯片上的器官,也称为“器官芯片”,其实就是一种多通道的三维微流体细胞培养芯片。它可以模拟人体器官或者整个器官系统的活动、力学和生理反应,或者说是一种人造器官。
在其它领域,微纳3D打印还处于更早期的阶段,但是我们已经看到了无限前景。微纳3D打印能实现的精密器件数不胜数,例如心血管支架、内窥镜、特定的电子接插件等。就目前来看,这些领域与国内的产业链结合,还需要一定时间。


通过微纳3D打印技术打印的眼镜镜片(图片来自南极熊)

3D打印多功能复杂结构在制造行业具有重要作用,例如用于MEMS,可拉伸/柔性微电子学,传感器件,微天线和组织工程的部件。为了实现3D打印多功能纳米复合材料的全部潜力,仍然需要在材料和技术两个方面同时进步。首先是材料的设计,实现微纳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打印是一种层层堆积的制造技术,层与层之间的粘结紧密与否极大地影响了电极的机械性能,因此对于材料的研究十分重要。另外的一个研究方向就是对于3D打印工艺的研究,即通过控制成形参数控制微观结构,以及如何设计硬件及软件,实现更高分辨率的打印。

在微纳3D打印方面,上海普利生机电科技有限公司(以下简称Prismlab普利生)独立拥有相关技术;并且,自2018年起国家重点研发计划项目《微纳结构增材制造工艺与装备》由国务院科技部批准设立,由Prismlab普利生牵头,东南大学、南京大学、南京航空航天大学、华东理工大学、华中科技大学、中国科学技术大学、长春理工大学以及苏州赛菲集团有限公司联合进行。


Prismlab普利生国家重点研发计划项目《微纳结构增材制造工艺与装备》签约仪式

微纳制造一直是世界科学技术的前沿,可以获得和宏观尺度下不同的特性。传统工艺目前往往采用和芯片制造类似的MEMS工艺,成本非常高昂,难以加工复杂三维结构。而Prismlab普利生将运用其先进的微纳3D打印技术,使复杂部件的定制化更加容易,其生产速度也较“双光子微纳3D打印技术”大幅提高。

Prismlab普利生是世界领先的光固化(SLA)3D打印解决方案提供商,一直潜心于3D打印技术研发,并于2016年开始发力微纳3D打印技术,目前已经取得了多项重要成果。Prismlab普利生以过硬的产品、优质的服务以及快速的研发响应能力,稳健的从工业端走入细分领域,提供并创造各种对未来制造有深远影响的3D打印解决方案,并获得各行业内知名企业客户的一致认可。
和所有新兴技术一样,微纳3D打印正变得更加精密、功能更强大、成本更低。当然新的技术出现时,也会面对一定的挑战。所谓“追求越极致,挑战就越大”。 在业界人士的推动下,微纳3D打印有望在技术研发和实际应用过程中实现全新的突破,并展现出其独有的魅力。 Prismlab普利生相信在未来微纳米尺度3D打印能够在更多领域发挥出更大的价值。

参考资料:
【1】引自:”面投影微立体光刻微纳3D打印及其应用前景” – William Plummer
【2】张磊,田东斌,伍权.3D打印技术及其在电子元器件领域的应用[J].电子元件与材料,2019,38(06):20-25.
【3】引自: Autologous induced pluripotent stem cell-derived four-organ-chip[J]. Future Science OA,2019,5(8).