微型3D打印–終極指南

魔猴君  知識堂   322天前

電子、生物技術(shù)、汽車和航空航天領(lǐng)域?qū)ξ⑿驮O(shè)備的需求激增，使人們對微型增材制造技術(shù)的發(fā)展越來越感興趣。這種3D打印方法能以更快的速度和更低的成本生產(chǎn)出傳統(tǒng)制造方法無法生產(chǎn)的微小零部件。在內(nèi)部自行3D打印微型部件的制造商不會(huì)受到當(dāng)今供應(yīng)鏈中斷的影響。

微型3D打印部件展示了Fabrica Group的Fabrica 2.0 Machine 3D打印機(jī)的功能（來源：Fabrica Group）

隨著全球邁向5G帶寬，這些高頻和短波長意味著微小的天線和結(jié)構(gòu)；隨著微型半導(dǎo)體在我們身邊的產(chǎn)品中占據(jù)一席之地，對微型熱交換器的需求也在增長；隨著醫(yī)療越來越針對病人，對制造個(gè)性化醫(yī)療設(shè)備和植入物（如支架）的需求也在增長。

盡管目前主要用于研究和原型設(shè)計(jì)，但微米級快速成型制造技術(shù)在終端應(yīng)用領(lǐng)域大有可為，從可穿戴和嵌入式傳感器到印刷電路板，再到活細(xì)胞3D打印，不一而足。它適用于各行各業(yè)，以下是目前的一些應(yīng)用，更多詳情請參見相關(guān)章節(jié)：誰在使用微型3D打?。?/span>

微型3D打印的應(yīng)用：

電氣元件

微芯片元件

微流體裝置

藥物輸送微針

血管支架

微型模具

光學(xué)和光子學(xué)機(jī)電零件

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）

微光機(jī)電系統(tǒng)（MOEMS）

微光學(xué)電子系統(tǒng)（MOES）

雖然傳統(tǒng)制造技術(shù)（如微注塑、微加工和蝕刻）可以生產(chǎn)精密的微小零件，但這些工藝復(fù)雜且成本高昂（特別是對于原型、單件或小批量產(chǎn)品），而且能夠完成這些工作的公司并不多。微米尺度的快速成型制造為傳統(tǒng)制造提供了一種替代方案，其高分辨率和高精度零件的生產(chǎn)量甚至可達(dá)數(shù)十萬件。如果您沒有能力購買自己的機(jī)器，甚至還可以按需提供微型3D打印服務(wù)（如下圖所示）。

讓我們來看看微型3D打印的前沿技術(shù)、用途、機(jī)器和服務(wù)。

一、微型3D打印技術(shù)的基礎(chǔ)知識

3D MicroPrint的金屬3D縮微打印（來源：3D MicroPrint）

為了了解我們這里所說的微小類型，用于珠寶或醫(yī)療3D打印的市售專業(yè)3D打印機(jī)（如RapidShape I100+或Formlabs Form 3B）可以達(dá)到25-75微米（μm）左右的分辨率，但微型3D打印的分辨率要小得多。

微米級快速成型制造通常是指生產(chǎn)以個(gè)位數(shù)微米為單位的零件，最小層厚為5微米，分辨率為2微米。有些技術(shù)甚至可以打印出以納米（nm）為單位的零件，納米比微米小1000倍。作為參考，人類頭發(fā)的平均寬度為75微米，人類DNA鏈的直徑為2.5納米。

如今，這項(xiàng)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于豪華手表設(shè)計(jì)、航空航天、醫(yī)療技術(shù)等領(lǐng)域。

大多數(shù)微型3D打印是通過樹脂打印機(jī)完成的，更確切地說，是通過光聚合反應(yīng)完成的。不過，有些公司已經(jīng)開始超越聚合物，進(jìn)入金屬領(lǐng)域，包括鋼、銅和金。讓我們來看看微添加制造技術(shù)的五大類。

Boston Micro Fabrication的3D打印零件（來源：BMF）

1、微立體光刻(μSLA)

該工藝屬于還原聚合工藝。它涉及將感光材料（液體樹脂）暴露在紫外線激光下。一般過程與大多數(shù)商業(yè)樹脂打印機(jī)相同：將樹脂倒入樹脂槽中，將構(gòu)建平臺放入樹脂中，激光逐層繪制3D零件的橫截面，同時(shí)將平臺放入樹脂中。室。不同之處在于專用樹脂、先進(jìn)的激光器和附加的透鏡，它們能夠產(chǎn)生幾乎令人難以置信的小光點(diǎn)。

2、投影微立體光刻(PμSL)

這種增材制造技術(shù)因其低成本、準(zhǔn)確性、速度以及可使用的材料范圍（包括聚合物、生物材料和陶瓷）而不斷發(fā)展。它在從微流體和組織工程到微光學(xué)和生物醫(yī)學(xué)微型設(shè)備的應(yīng)用中顯示出了潛力。

PμSL工藝與μSLA類似，不同之處在于PμSL使用投影儀發(fā)出的紫外光，而不是激光。它與您在Carbon等公司的3D打印機(jī)中看到的數(shù)字光處理(DLP)樹脂3D打印技術(shù)非常相似。該技術(shù)允許使用微米級分辨率的紫外光閃光對整個(gè)液體聚合物層進(jìn)行快速光聚合，因此速度明顯更快。

這座塔中的每個(gè)香檳槽高400微米，由Microlight3D用TPP打?。▉碓矗篗icrolight3D）

3、雙光子聚合（2PP或TPP）

該技術(shù)已被證明可提供微型3D打印機(jī)中最高的精度。它被用于有前途的醫(yī)療創(chuàng)新，包括組織工程和醫(yī)療植入物，以及工業(yè)應(yīng)用，包括微機(jī)械。但技術(shù)和材料仍然非常昂貴，而且打印機(jī)的速度可能比其他技術(shù)慢。

在此方法中，使用脈沖飛秒激光在特殊光敏樹脂槽的深處描繪3D圖案。我們不會(huì)在這里深入探討涉及吸收和生成光子的科學(xué)雜草，但要知道該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)小于1μm的分辨率，這被認(rèn)為是納米制造技術(shù)。

4、基于光刻的金屬制造(LMM)

這種金屬3D打印方法使用一些相同的光聚合原理，可以為手術(shù)工具和微機(jī)械零件等應(yīng)用創(chuàng)建微型金屬零件。在LMM中，金屬粉末均勻分散在光敏樹脂中，然后通過藍(lán)光曝光選擇性聚合。打印后，“綠色”部件的聚合物成分被去除，留下全金屬“棕色”部件，并在熔爐中通過燒結(jié)過程完成。原料包括不銹鋼、鈦、鎢、黃銅、銅、銀和金。

5、電化學(xué)沉積

處于微型金屬3D打印技術(shù)最前沿的是瑞士公司Exaddon，該公司開發(fā)了自己的金屬微型3D打印工藝，不需要任何后處理。在此過程中，打印噴嘴將含有金屬離子的液體通過微通道輸送到打印表面上。這些離子溶解成固體金屬原子，這些原子生長成更大的構(gòu)建塊（體素），直到物體完成。

3D MicroPrint金屬3D打印零件（來源：3D MicroPrint）

6、微選擇性激光燒結(jié)(μSLS)

這種基于粉末床熔融的增材制造本質(zhì)上是小規(guī)模的選擇性激光燒結(jié)（SLS），通常稱為微激光燒結(jié)。雖然SLS通常指的是塑料工藝，但這里μSLS通常指的是金屬激光燒結(jié)工藝。μSLS可以生產(chǎn)分辨率低于5μm且吞吐量大于60 mm 3/小時(shí)的真正3D金屬零件。

在μSLS中，將一層金屬納米顆粒墨水涂覆到基材上，然后干燥以產(chǎn)生均勻的納米顆粒層。接下來，使用數(shù)字微鏡陣列圖案化的激光將納米顆粒加熱并燒結(jié)成所需的圖案。然后重復(fù)這組步驟以在μSLS系統(tǒng)中構(gòu)建3D零件的每一層。

二、微型3D打印的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

Boston Micro Fabrication的微型3D打印零件（來源：BMF）

優(yōu)點(diǎn)

1、與傳統(tǒng)制造相比速度更快。使用微注塑成型或微機(jī)械加工的傳統(tǒng)制造工藝非常昂貴且耗時(shí)，因?yàn)樗枰_發(fā)模具。從這個(gè)意義上講，微型3D打印是一種經(jīng)濟(jì)高效的解決方案，適用于數(shù)千個(gè)甚至數(shù)十萬個(gè)零件的應(yīng)用。

2、微型3D打印是原型和大量最終使用零件的低成本選擇。

3、設(shè)計(jì)可能性更大。與傳統(tǒng)制造相比，微型3D打印能夠生產(chǎn)出更復(fù)雜的設(shè)計(jì)，例如，通過打印包括晶格填充在內(nèi)的復(fù)雜幾何形狀，生產(chǎn)出重量更輕的零件。

缺點(diǎn)

1、質(zhì)量成本高。很難列出這種潛在有用的新技術(shù)的許多負(fù)面因素。盡管如此，目前微型3D打印的一個(gè)主要缺點(diǎn)是，高質(zhì)量和功能性的應(yīng)用在技術(shù)和材料方面都很昂貴，盡管仍然低于微機(jī)械加工。

2、目前，材料有些有限。雖然一些公司正在開發(fā)使用金屬和其他材料的微型3D打印工藝，但目前該技術(shù)主要用于專用聚合物。

三、現(xiàn)在誰在使用微型3D打?。?/span>

Admat Sasu創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Jemmel Belkacem打印的微型3D打印模型（來源：Jemmel Belkacem）

如上所述，絕大多數(shù)微型3D打印機(jī)目前都位于大學(xué)實(shí)驗(yàn)室和研究中心，用于制造各種用于原型和實(shí)驗(yàn)的零件。有關(guān)他們工作的消息并不常被傳出，但一旦傳出，卻可能令人瞠目結(jié)舌。

事實(shí)上，微型增材制造有如此多的創(chuàng)新應(yīng)用正在開發(fā)中，該技術(shù)似乎正處于重大突破的邊緣。下面我們將介紹一些微型3D打印的最新、最有趣的應(yīng)用。

1、用于疫苗分發(fā)的3D打印微針貼片

Carbon聯(lián)合創(chuàng)始人Joseph DeSimone的3D打印微針貼片（來源：北卡羅來納大學(xué)教堂山分校）

斯坦福大學(xué)和北卡羅來納大學(xué)教堂山分校的科學(xué)家于2021年9月創(chuàng)建了一種3D打印的微針貼片，可以讓人們無痛地自行注射疫苗。

根據(jù)發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》上的一項(xiàng)在動(dòng)物身上進(jìn)行的研究，發(fā)現(xiàn)這種針貼的保護(hù)作用比用針刺進(jìn)手臂肌肉的典型疫苗注射強(qiáng)10倍。

微針貼片的增材制造技術(shù)來自3D打印機(jī)制造商Carbon。盡管微針貼片已經(jīng)研究了數(shù)十年，但最新一組科學(xué)家的工作克服了過去的一些挑戰(zhàn)，特別是輕松定制貼片的能力以及打印保持清晰度的貼片的能力。

2、3D打印血管支架

Boston Micro Fabrication的3D打印血管支架（來源：BMF）

植入冠狀動(dòng)脈以改善心臟血流的心血管支架有多種尺寸，但3D打印支架可以專門匹配每位患者的獨(dú)特需求。上圖所示的支架是用Boston Micro Fabrication的MicroArch P140打印的，尺寸約為15.4 x 3.4毫米。

盡管大部分仍處于實(shí)驗(yàn)階段，但3D打印支架的能力預(yù)計(jì)將改善尺寸選擇、保留基本解剖結(jié)構(gòu)，并使直徑和形狀能夠滿足患者個(gè)體的需求。該過程還可以在外科醫(yī)生的指導(dǎo)下現(xiàn)場制作單個(gè)支架，從而減少庫存并節(jié)省資金。

去年，澳大利亞國家科學(xué)機(jī)構(gòu)CSIRO的研究人員推出了3D打印的定制支架，用于治療狹窄或阻塞的動(dòng)脈。這些用于外周動(dòng)脈疾病患者的自膨脹式鎳鈦諾支架可以縮短康復(fù)時(shí)間。

3、3D打印復(fù)雜的消費(fèi)品

通過3D MicroPrint采用微型激光燒結(jié)制造的表盤和冠輪（來源：3D MicroPrint）

說到微機(jī)械，人們首先想到的可能是精美的手表，事實(shí)上，微型3D打印在手表和珠寶制造中占有一席之地。從純粹的裝飾設(shè)計(jì)到使制造商能夠在其作品中嵌入微型水印，微型3D打印在鐘表市場上的追隨者越來越多，特別是對于定制產(chǎn)品和不再可用的制造備件而言。

4、半導(dǎo)體缺陷修復(fù)

(來源:Pall Corp.)

提高半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)的產(chǎn)量是微芯片制造商最持久的目標(biāo)之一，但損壞的芯片或模具會(huì)增加生產(chǎn)過程中的故障率。據(jù)微型3D打印機(jī)制造商Exaddon稱，通過金屬微型3D打印，可以直接在模具上修復(fù)半導(dǎo)體缺陷。高質(zhì)量純金屬可以以亞微米精度直接沉積到所需位置。

5、快速3D打印微流體研究設(shè)備

對于研究微尺度液體和氣體的物理和化學(xué)性質(zhì)的研究人員來說，微流體裝置的使用很常見。這些設(shè)備還可用于根據(jù)蛋白質(zhì)表達(dá)對細(xì)胞進(jìn)行分類，這是多倫多大學(xué)凱利實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)行的研究。但該實(shí)驗(yàn)室的新功能是微型3D打印機(jī)，它使研究人員能夠打印自己的微流體設(shè)備，而與從供應(yīng)商處訂購設(shè)備相比，成本和時(shí)間僅為一小部分。事實(shí)上，擁有一臺打印機(jī)使實(shí)驗(yàn)室能夠在20分鐘內(nèi)打印出以前需要三天才能使用光刻技術(shù)在外部設(shè)備訂購的內(nèi)容。

將這些項(xiàng)目添加到如上所述的新材料開發(fā)中，以及納米級打印方面的突破，很明顯，微型3D打印有可能徹底改變從醫(yī)學(xué)到增材制造本身的領(lǐng)域。

四、微型3D打印機(jī)

編譯整理：ALL3DP