使用再生玻璃進(jìn)行體積 3D 打印，T3DP 開發(fā)半導(dǎo)體和太陽能電池生產(chǎn)新技術(shù)

2023年10月10日，南極熊獲悉，總部位于加利福尼亞州的 3D 打印技術(shù)公司T3DP開發(fā)了一種新型 3D 打印材料，該原料是由回收玻璃廢料和Tethon 3D 的 Genesis 開發(fā)樹脂的混合制備而成。這項(xiàng)創(chuàng)新使得體積 3D 打印技術(shù)能夠應(yīng)用到微型 3D 太陽能電池和半導(dǎo)體的生產(chǎn)。

T3DP 創(chuàng)始人 DanielClarke 解釋道：“基于我們的工藝，我們可以使用具有超光滑表面的 UV 固化聚合物樹脂打印大型模具，在室溫下鑄造金屬，然后燒結(jié)去除粘合劑樹脂，從而留下具有 RA 表面的超光滑金屬和其他材料。在某些情況下，光潔度為 1 µm 及以下�！�

T3DP 的新技術(shù)受到馬里蘭大學(xué)研究人員開發(fā)的“超快高溫?zé)�結(jié)” (UHS) 的啟發(fā)，據(jù)報(bào)道該技術(shù)可將燒結(jié)時(shí)間縮短至 10 秒以下。

△使用 T3DP 技術(shù)制造的組件。 照片來自 T3DP

可持續(xù)半導(dǎo)體和太陽能電池生產(chǎn)

T3DP 新技術(shù)的核心是將玻璃廢料與Tethon 3D 的樹脂混合，創(chuàng)造出一種具有卓越性能的新型材料。據(jù) T3DP 稱，這種組合可實(shí)現(xiàn)下一代體積 3D 打印和光聚合物成型。這使得微型 3D 太陽能電池/模塊和先進(jìn)半導(dǎo)體玻璃基板的生產(chǎn)成為可能，其中微芯片和存儲(chǔ)器可以放置在玻璃上。  

用于半導(dǎo)體應(yīng)用的傳統(tǒng) 3D 打印技術(shù)通常依賴于耗時(shí)耗力的流程。據(jù)稱，T3DP 的新方法可以正面應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，提供可持續(xù)的替代方案，提高制品性能并減少制造過程的碳足跡。

Clarke 評(píng)論道：“這項(xiàng)創(chuàng)新不僅能夠徹底改變 3D 打印行業(yè)，而且能夠徹底改變整個(gè)材料研究。T3DP 將回收玻璃和樹脂融合在一起，是邁向可持續(xù)、高性能制造的非凡一步�！�

體積3D打印和高速燒結(jié)

在制造過程中，T3DP 利用線性體積3D 打印來生產(chǎn)超光滑模具的小部分，然后將其縫合在一起以制成更大的模具。在這里，回收的玻璃廢料與 Tethon的 Genesis 開發(fā)的樹脂混合，然后將玻璃模制成聚合物。

Clarke 表示，體積 3D 打印過程可能需要幾秒到幾分鐘才能完成，對(duì)于 6 英寸 x 6 英寸的大面積基材，成型過程需要 10 到 20 秒。  

然后使用馬里蘭大學(xué)的 UHS 技術(shù)對(duì)體積 3D 打印的“生坯部件”進(jìn)行燒結(jié)。這種新穎的燒結(jié)工藝結(jié)合了輻射熱和接觸熱，可實(shí)現(xiàn)材料快速均勻加熱高達(dá) 3000℃。據(jù)報(bào)道，燒結(jié)在 10 秒內(nèi)完成，比傳統(tǒng)爐燒結(jié)快 1000 倍以上。馬里蘭大學(xué)的子公司HighT-Tech正在將這種高速燒結(jié)技術(shù)商業(yè)化。

△燒結(jié)過程。照片來自 T3DP

優(yōu)化半導(dǎo)體和太陽能電池生產(chǎn)

在使用這項(xiàng)新技術(shù)制造半導(dǎo)體時(shí)，T3DP 使用熔融石英來制造 3D 玻璃中介層。這繞過了傳統(tǒng)電子 3D 打印工藝的需要，包括直接寫入、蝕刻和光刻。

Clarke解釋道：“這些是復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)。我們繞過光刻（互連線的直接寫入）和反應(yīng)離子蝕刻，只需將 3D 太陽能和半導(dǎo)體玻璃基板的整個(gè)結(jié)構(gòu)模制成一體。”

Clarke 表示，這一過程使計(jì)算能力提高了 8 倍以上，更多的芯片和內(nèi)存能夠塞進(jìn)更小的占地面積，從而節(jié)省 50% 的能源。Clarke 補(bǔ)充說，T3DP 擁有一種特殊的專有混合物，可以使玻璃的強(qiáng)度提高 10 倍，并且不易破裂。 此外，T3DP 的新技術(shù)據(jù)說可以優(yōu)化微型 3D 電池/模塊的生產(chǎn)。  

據(jù)說這些組件可提供全年可靠性，并且包括能夠在上午 7 點(diǎn)至晚上 7 點(diǎn)捕獲更多陽光的 3D 表面。此外，Clarke 聲稱，T3DP 3D 打印太陽能電池/模塊在相同的地面面積上可提供 15-100% 的能源，同時(shí)在炎熱地區(qū)可將電力提高 39%。Clarke還表示，微型3D太陽能電池基板無法通過傳統(tǒng)的玻璃制造方法來制造。  

△T3DP 設(shè)計(jì)的較大太陽能電池板的六邊形部分。 圖片來自 T3DP

T3DP技術(shù)的未來

Clarke 表示，這項(xiàng)新技術(shù)對(duì) 3D打印行業(yè)具有巨大潛力。Clarke解釋道：“我們的成型與材料無關(guān)。目前我們只能生產(chǎn)陶瓷和玻璃。Bucktown Polymers正在開發(fā)一種新型鑄造樹脂，這將使我們的工藝材料能夠與幾乎任何材料配合使用，因?yàn)樗�是化學(xué)固化 3D 打印樹脂而不是光固化樹脂。”

Clarke 還強(qiáng)調(diào)了 T3DP 的新工藝相對(duì)于電動(dòng)汽車制造商Tesla的優(yōu)勢，后者使用大型砂模來進(jìn)行千兆鑄造汽車底盤。在商業(yè)化方面，Clarke聲稱T3DP處于7級(jí)技術(shù)準(zhǔn)備狀態(tài)。換句話說，該公司回收的玻璃廢料和Tethon樹脂的原型已在操作環(huán)境中成功演示。

展望未來，Clarke 對(duì)快速進(jìn)入市場充滿信心：“我們有望在不到 12 個(gè)月的時(shí)間內(nèi)將模具商業(yè)化。體積 3D 打印機(jī)開發(fā)商Xolo正在歐洲將T3DP 的體積 3D 打印技術(shù)商業(yè)化，但一旦在美國銷售，就必須獲得 IP（知識(shí)產(chǎn)權(quán)）許可�！�

此外，Clarke 表示，生產(chǎn) 3D 太陽能組件的工藝應(yīng)該會(huì)在 18 個(gè)月內(nèi)，甚至更快實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

玻璃3D打印

基于玻璃的 3D 打印并不是什么新鮮事。今年早些時(shí)候，奧地利陶瓷 3D 打印公司Lithoz宣布與玻璃制造商Glassomer合作推出高性能熔融石英玻璃 LithaGlass 。該材料針對(duì) Lithoz 基于光刻的陶瓷制造 (LCM) 技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。該公司聲稱，這種以石英玻璃為基底的復(fù)合漿料將對(duì)陶瓷3D打印領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。   

在其他地方，美國國防部支持的麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室的研究人員去年開發(fā)了一種低溫方法來3D 打印玻璃物體。與傳統(tǒng)的玻璃 3D 打印和后處理不同，傳統(tǒng)的玻璃 3D 打印和后處理需要將部件暴露在 1,000℃ 或更高的溫度下，而該工藝需要分層定制的高填充墨水，可在 250℃ 下固化。

△麻省理工學(xué)院科學(xué)家的低溫玻璃 3D 打印工作流程。圖片來自麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室。

研究人員在論文中解釋說：“我們?cè)O(shè)想這種多功能材料平臺(tái)與多材料增材制造相結(jié)合，將能夠制造各種堅(jiān)固的微系統(tǒng)。”