分析貼！微型3D打印技術(shù)與潛力

導(dǎo)讀：3D打印技術(shù)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(xiàng)技術(shù)正在向另一種制造領(lǐng)域發(fā)展。為了滿足摩爾定律的需求，在電子電路領(lǐng)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(jì)算機(jī)芯片到硬件部件。

△Boston Micro Fabrication的Projection Micro-Stereolithography (PμSL) 技術(shù)可實(shí)現(xiàn)小型化3D打印。

為什么需要微型3D打印機(jī)？

雖然設(shè)計(jì)自由是3D打印最強(qiáng)大的功能，但在精度和準(zhǔn)確性方面，現(xiàn)有的機(jī)器精度仍然與制造目標(biāo)有些差距。為了彌補(bǔ)這一差距，我們必須開發(fā)全新的3D打印機(jī)�，F(xiàn)有3D打印機(jī)的精度水平通常受到幾個(gè)因素的限制。在標(biāo)準(zhǔn)的長絲3D打印機(jī)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(shí)，依靠3D打印的公司并不多。其中包括微芯片、助聽器、手術(shù)工具和光學(xué)元件。雖然3D打印在微尺度應(yīng)用上還有很大技術(shù)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(xiàng)技術(shù)似乎可能降低生產(chǎn)價(jià)格。另外，將3D打印的設(shè)計(jì)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(chǎn)更加復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

微型3D打印技術(shù)是否已經(jīng)存在？

在過去的幾年里，多家公司和研究機(jī)構(gòu)一直致力于實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)技術(shù)。領(lǐng)先的是波士頓微制造(BMF)，這是一家由麻省理工學(xué)院教授于2016年共同創(chuàng)立的公司。BMF的microArch s240打印機(jī)是一款專為短期工業(yè)生產(chǎn)而設(shè)計(jì)的微型精密3D打印機(jī)，這款機(jī)型是公司以前nanoArch打印機(jī)系列的改進(jìn)版本，并使用了他們專利的Projection Micro Stereolithography系統(tǒng)中的類似技術(shù)。據(jù)稱，microArch s240可以達(dá)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(lǐng)域里唯一的公司，另一個(gè)強(qiáng)有力的競爭者是總部位于德國的Nanoscribe。他們的Photonic Professional GT2打印機(jī)使用雙光子聚合技術(shù)來創(chuàng)建亞微米結(jié)構(gòu)，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(xué)、微機(jī)械、生物醫(yī)學(xué)工程和納米結(jié)構(gòu)等多個(gè)領(lǐng)域。

△Photonic Professional GT2 3D打印機(jī)

來自以色列的Nanofabrica還通過Tera 250 3D打印機(jī)提供微尺度分辨率。Tera 250使用帶有先進(jìn)光學(xué)元件的半導(dǎo)體光刻技術(shù)，將1微米的分辨率和相對較大的構(gòu)建體積結(jié)合。Nanofabrica利用創(chuàng)新的微自適投影技術(shù)（Micro Adaptive Projection technology）實(shí)現(xiàn)超細(xì)特性、細(xì)節(jié)、準(zhǔn)確性和精度。自從2021年4月被Nano Dimension收購之后，預(yù)計(jì)這家公司會(huì)進(jìn)一步發(fā)揮特點(diǎn)，并向電子電路領(lǐng)域制造發(fā)展。

△NanofabricaTera 250

2021年6月，意大利增材制造服務(wù)公司IDMLab推出了新型微型LCD 3D打印機(jī)PicoFAB。主要針對研究實(shí)驗(yàn)室、教育機(jī)構(gòu)和材料制造商，這種基于樹脂的微型系統(tǒng)旨在充當(dāng)材料試驗(yàn)臺(tái)，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(gòu)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(jī) [來源：IDM實(shí)驗(yàn)室]

微型3D打印還對建筑領(lǐng)域有所助力，3D打印機(jī)制造商Microlight3D是歐洲FET-Open計(jì)劃未來新興技術(shù)的獲勝者，它的微結(jié)構(gòu)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(shù)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(jī)器可以創(chuàng)建小于0.2微米寬的物體。

△微結(jié)構(gòu)將用作混凝土模具（照片來源：Microlight3D）

微型3D打印機(jī)是如何工作的？

微型3D打印還是一個(gè)比較年輕的領(lǐng)域，許多技術(shù)還在探索階段，因此具有許多采取截然不同的方法來實(shí)現(xiàn)微尺度分辨率的公司。以BMF的microArch 3D打印機(jī)系列為例，機(jī)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(xué)品公司巴斯夫合作生產(chǎn)特殊的BMF RG光聚合物，適合需要幾何復(fù)雜性的工業(yè)或醫(yī)療生產(chǎn)需求。

△微型3D打印技術(shù)在微流體領(lǐng)域的應(yīng)用

microArch打印機(jī)的3D打印過程稱為微立體光刻，基于數(shù)字光處理(DLP) 技術(shù)。使用精確的閃光對樹脂進(jìn)行光聚合，DLP一次固化整個(gè)層，是大批量零件生產(chǎn)的更快、更合適的選擇。為了實(shí)現(xiàn)微尺度分辨率，microArch打印機(jī)使用特殊鏡頭將光線聚焦到更小的點(diǎn)上，以及使用高精度控制構(gòu)建平臺(tái)的特殊軟件和控制系統(tǒng)。

微型3D打印機(jī)的潛力

目前，微型3D打印市場仍然不算成熟。隨著這項(xiàng)技術(shù)的更新，南極熊期待更多工業(yè)或商業(yè)應(yīng)用的出現(xiàn)。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(jù)BMF的說法，微尺度注塑成型的模具生產(chǎn)成本非常高，變相降低了設(shè)計(jì)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(jí)樣品

如果微型3D打印與生物打印相結(jié)合，這是另一個(gè)具有巨大潛力的領(lǐng)域。2021年5月，Nanoscribe被CELLINK收購，將雙光子聚合（2PP）技術(shù)帶入生物3D打印領(lǐng)域。兩家公司已開展血管微環(huán)境生物打印，有助于細(xì)胞研究、微針和微孔膜等產(chǎn)品的開發(fā)。南極熊認(rèn)為，無論是用于電子、機(jī)械設(shè)備，還是醫(yī)學(xué)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(jí)3D打印

中國也有一家微納級(jí)的超高精度3D打印機(jī)廠商，其客戶已經(jīng)全球25個(gè)國家的頂級(jí)大學(xué)、研究所、企業(yè)。但目前為止，很多人都不知道高達(dá)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(shí)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(jí)精度3D打印機(jī)，以滿足工業(yè)市場對高精密增材制造的需求，填補(bǔ)了國內(nèi)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(jī)擁有全球領(lǐng)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(jié)構(gòu)件和功能器件，無需再經(jīng)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(jī)械3D打印領(lǐng)導(dǎo)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N(yùn)anoscribe被CELLINK 收購