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微型3D打印的价值

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2021-09-18 19:06:52

3D打印已经证明了它作为传统制造方法的革命性替代品的价值。然而,它也必须追赶制造业领域的其他趋势。也就是说,3D打印需要跟上从计算机芯片到硬件零件等所有东西的小型化需求。

虽然设计自由度是3D打印的最强项,但它在精度和准确度方面却有些挣扎。为了弥补这一差距,必须开发一种全新的3D打印机。不用担心,因为有几家公司已经在努力解决这个非常具体的问题了。

为什么需要微型3D打印机?

尽管3D打印是革命性的,但它的精确程度往往是有限的。有几个限制性因素在起作用。在标准的基于长丝的3D打印机中,细节精度水平是由喷嘴尺寸决定的。树脂基3D打印的精度取决于导致光聚合的光源的精度。在依靠粘合剂喷射的3D打印方法中,还有对喷嘴尺寸的物理限制。

与注塑成型等更传统的方法相比,3D打印在精度方面仍被认为是逊色的。由于这个原因,没有多少公司在制造非常小的零件时依靠3D打印。这些部件包括微芯片、助听器、手术工具和光学元件。

显然,3D打印的微观规模应用存在着差距。通常情况下,生产这些非常小的零件所需的模具在通过注塑成型时是非常昂贵的。3D打印有可能使这些价格下降。将3D打印的设计自由带入微观规模,也可以为更多传统制造方法无法生产的复杂结构打开大门。

这种技术是否已经存在?

是的,3D打印微尺度物体的技术已经存在。在过去的几年里,一些公司和研究机构一直在努力实现这一想法。领先的是波士顿微制造公司(BMF),这家公司早在2016年就由麻省理工学院的一位教授共同创立。

BMF最近高调发布的是他们的microArch s240打印机。该公司声称,这是唯一一款为短期工业生产设计的微型精密3D打印机。microArch s240是该公司以前的nanoArch打印机系列的改进版,使用了他们的专利投影微立体光刻系统的类似技术。

根据产品描述,microArch s240可以实现2微米到50微米的分辨率,公差为5微米到25微米。为了说明这些数字,一缕人类头发的平均厚度约为70微米。这凸显了微型3D打印机可以做到多么令人难以置信的精确。

BMF不是这个领域的唯一公司。另一个强有力的竞争者是位于德国的Nanoscribe。他们的Photonic Professional GT2打印机使用双光子聚合技术来创建亚微米级的特征。它的额定最小XY特征尺寸为200纳米,垂直分辨率为1500纳米。Photonic Professional GT2可用于微光学、微机械学、生物医学工程和纳米结构等多个领域。

来自以色列的Nanofabrica公司也用他们的Tera 250 3D打印机提供微尺度分辨率。Tera 250使用半导体光刻技术和先进的光学技术,提供了一个令人印象深刻的组合,即1微米的分辨率和相对较大的构建体积。Nanofabrica提供的解决方案独特地适合于非常小而精确的部件的大批量要求。

最后,来自横滨国立大学的一个研究小组通过开发一种多材料3D打印机,也能生产微尺度的特征,使其更进一步。这种基于SLA的技术使用了几种树脂的悬浮液,以液滴的状态防止它们相互交叉污染。该研究论文确实充分详细地介绍了该团队如何设计微观结构的3D打印过程。

显然,这是一个非常年轻的领域,目前只服务于一个小众市场。BMF似乎领先于技术曲线,很可能拥有先发优势。如果证明对该技术有巨大的需求,我们期待更多的公司加入进来。

这些微型的3D打印机是如何工作的?

作为一个相当不成熟的领域,这个领域的公司采取了大量不同的方法来实现微尺度的分辨率。要分析的最佳技术是BMF所使用的技术,因为它是最完善和最有记录的。

BMF公司的microArch系列3D打印机是基于光聚合的概念。该打印机使用陶瓷或光聚合物树脂作为原料。BMF还与特种化学品公司BASF合作,生产特殊的BMF RG光聚合物。这是标准光聚合物的更高强度版本,更适合需要更多几何形状复杂性的工业或医疗生产需求。

microArch打印机的3D打印过程被称为微立体光刻技术,它是基于数字光处理(DLP)技术。这涉及到使用精确的闪光对树脂进行光聚合。DLP一次固化一整层,使其成为大批量零件生产的更快、更合适的选择。

为了实现微尺度的分辨率,microArch打印机使用特殊的透镜将光线聚焦到更小的点上。这也得益于特殊的软件和控制系统对构建平台的高精度运动的帮助。

微尺度3D打印机的潜力

现在,微尺度3D打印市场仍然不成熟,而且很低调。随着该技术变得更加知名,我们期待着更多工业或商业方面的应用。像BMF和Nanoscribe这样的公司可能认识到这些趋势,因为他们设计的3D打印机具有更高的生产速度和构建量。

微尺度3D打印最引人注目的用例之一是作为高精度注塑的替代品。据BMF称,能够再现微观尺度特征的铸模,其生产成本可能高达五十万美元,令人望而却步。3D打印有可能大大降低这些成本。

生物打印是另一个具有巨大潜力的领域,如果与微尺度3D打印相结合。在Nanoscribe与CELLINK集团最近建立的伙伴关系中,这两家公司已同意致力于血管微环境的生物打印,这可以帮助细胞研究和开发产品,如微针和微孔膜。

无论是用于电子、机械装置还是医学研究,微尺度3D打印仍有很大的发展空间。虽然实际的3D打印机不太可能进入我们的家庭作坊,但我们仍然可能从这一技术的产品中受益。

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