分析貼！微型3D打印技術與潛力

導讀：3D打印技術的發(fā)展正在逐漸改變傳統(tǒng)制造方法。除了常規(guī)工業(yè)制在之外，這項技術正在向另一種制造領域發(fā)展。為了滿足摩爾定律的需求，在電子電路領域上，3D打印正在向制造尺寸更小的電子元器件發(fā)展——從計算機芯片到硬件部件。

△Boston Micro Fabrication的Projection Micro-Stereolithography (PμSL) 技術可實現小型化3D打印。

為什么需要微型3D打印機？

雖然設計自由是3D打印最強大的功能，但在精度和準確性方面，現有的機器精度仍然與制造目標有些差距。為了彌補這一差距，我們必須開發(fā)全新的3D打印機。現有3D打印機的精度水平通常受到幾個因素的限制。在標準的長絲3D打印機中，精度由噴嘴尺寸決定。樹脂3D打印的精度取決于誘發(fā)光聚合的光源的精度。在粘合劑噴射3D打印中，噴嘴尺寸也在物理程度上限制了打印精度。

△3D打印噴頭

與注射成型等更傳統(tǒng)的方法相比，3D打印在精度方面仍然處于劣勢。因此，在制造非常小的零件時，依靠3D打印的公司并不多。其中包括微芯片、助聽器、手術工具和光學元件。雖然3D打印在微尺度應用上還有很大技術難度，但是與注塑成型在制作非常小的零件所需的成本相比，這項技術似乎可能降低生產價格。另外，將3D打印的設計自由帶入微觀尺度，也可以為突破更多傳統(tǒng)制造的限制，生產更加復雜的結構。

微型3D打印技術是否已經存在？

在過去的幾年里，多家公司和研究機構一直致力于實現這項技術。領先的是波士頓微制造(BMF)，這是一家由麻省理工學院教授于2016年共同創(chuàng)立的公司。BMF的microArch s240打印機是一款專為短期工業(yè)生產而設計的微型精密3D打印機，這款機型是公司以前nanoArch打印機系列的改進版本，并使用了他們專利的Projection Micro Stereolithography系統(tǒng)中的類似技術。據稱，microArch s240可以達到2 μm至50 μm分辨率，公差為5μm至25 μm。

△microArch S240可以精確、快速地3D打印微型零件。（圖片由BMF提供。）

BMF并不是領域里唯一的公司，另一個強有力的競爭者是總部位于德國的Nanoscribe。他們的Photonic Professional GT2打印機使用雙光子聚合技術來創(chuàng)建亞微米結構，它的額定最小XY特征尺寸為200 nm，垂直分辨率為1500 nm。可用于微光學、微機械、生物醫(yī)學工程和納米結構等多個領域。

△Photonic Professional GT2 3D打印機

來自以色列的Nanofabrica還通過Tera 250 3D打印機提供微尺度分辨率。Tera 250使用帶有先進光學元件的半導體光刻技術，將1微米的分辨率和相對較大的構建體積結合。Nanofabrica利用創(chuàng)新的微自適投影技術（Micro Adaptive Projection technology）實現超細特性、細節(jié)、準確性和精度。自從2021年4月被Nano Dimension收購之后，預計這家公司會進一步發(fā)揮特點，并向電子電路領域制造發(fā)展。

△NanofabricaTera 250

2021年6月，意大利增材制造服務公司IDMLab推出了新型微型LCD 3D打印機PicoFAB。主要針對研究實驗室、教育機構和材料制造商，這種基于樹脂的微型系統(tǒng)旨在充當材料試驗臺，使用戶能夠在緊湊的包裝中試用極少量的光聚合物樹脂。PicoFAB的構建體積僅為 24 x 24 x 50 毫米，只需10毫升樹脂即可開始3D打印零部件。

△PicoFAB 3D打印機 [來源：IDM實驗室]

微型3D打印還對建筑領域有所助力，3D打印機制造商Microlight3D是歐洲FET-Open計劃未來新興技術的獲勝者，它的微結構混凝土可以讓建筑物自然冷卻。這家公司希望利用雙光子聚合技術減少混凝土施工對環(huán)境的影響，并提供更環(huán)保的替代方案，公司的Altraspin機器可以創(chuàng)建小于0.2微米寬的物體。

△微結構將用作混凝土模具（照片來源：Microlight3D）

微型3D打印機是如何工作的？

微型3D打印還是一個比較年輕的領域，許多技術還在探索階段，因此具有許多采取截然不同的方法來實現微尺度分辨率的公司。以BMF的microArch 3D打印機系列為例，機器利用光聚合，使用陶瓷或光聚合物樹脂作為原料。BMF還與特種化學品公司巴斯夫合作生產特殊的BMF RG光聚合物，適合需要幾何復雜性的工業(yè)或醫(yī)療生產需求。

△微型3D打印技術在微流體領域的應用

microArch打印機的3D打印過程稱為微立體光刻，基于數字光處理(DLP) 技術。使用精確的閃光對樹脂進行光聚合，DLP一次固化整個層，是大批量零件生產的更快、更合適的選擇。為了實現微尺度分辨率，microArch打印機使用特殊鏡頭將光線聚焦到更小的點上，以及使用高精度控制構建平臺的特殊軟件和控制系統(tǒng)。

微型3D打印機的潛力

目前，微型3D打印市場仍然不算成熟。隨著這項技術的更新，南極熊期待更多工業(yè)或商業(yè)應用的出現。微型3D打印最引人注目的用例之一是作為高精度注塑成型的替代品。根據BMF的說法，微尺度注塑成型的模具生產成本非常高，變相降低了設計自由度，而3D打印或許有可能顯著降低這些成本。

△Nanoscribe打印的一系列納米級樣品

如果微型3D打印與生物打印相結合，這是另一個具有巨大潛力的領域。2021年5月，Nanoscribe被CELLINK收購，將雙光子聚合（2PP）技術帶入生物3D打印領域。兩家公司已開展血管微環(huán)境生物打印，有助于細胞研究、微針和微孔膜等產品的開發(fā)。南極熊認為，無論是用于電子、機械設備，還是醫(yī)學研究，微型3D打印有著很大的發(fā)展空間，讓我們拭目以待！

中國的微納級3D打印

中國也有一家微納級的超高精度3D打印機廠商，其客戶已經全球25個國家的頂級大學、研究所、企業(yè)。但目前為止，很多人都不知道高達2微米的打印精度，到底可以用在什么地方。2021年4月初，南極熊實地探訪了位于深圳的摩方精密，這是一家致力于提供超高精密光固化3D打印系統(tǒng)和解決方案的公司，他們所開發(fā)的微納米級精度3D打印機，以滿足工業(yè)市場對高精密增材制造的需求，填補了國內外市場的空白。

△深圳的摩方精密

摩方的PμSL超高精密3D打印機擁有全球領先的超高打印精度（2μm/10μm/25μm），高精密的加工公差控制能力（±10μm/±25μm/±50μm），配置韌性樹脂、硬性樹脂、耐高溫樹脂、生物樹脂等打印材料，使得摩方3D打印系統(tǒng)可直接成型精密塑料結構件和功能器件，無需再經過拋光、打磨、噴涂等后處理工藝。

參考閱讀：

1. BMF Makes Micro 3D Printing a Reality
2. 3D Printing in the Micro Scale
3. It's a small world: Nanofabrica talks opportunities formicro 3D printing
4. Nano Dimension花5490萬美元收購微型機械3D打印領導者NanoFabrica
5. IDM Lab Releases The PicoFAB 3D Printer
6. IDM LAB LAUNCHES ITS MICROSCALE PICOFAB 3D PRINTER –TECHNICAL SPECIFICATIONS AND PRICING
7. PicoFAB
8. Micro-Printing Technology Allows For Naturally CooledConcrete to Combat Heatwaves
9. Microlight3D Awarded Funds to Enable Radiative CoolingConcrete with 3D Printing
10. 5000萬歐元：微納3D打印廠商Nanoscribe被CELLINK 收購