마이크로 3D 프린팅에 대한 통찰력 - 적층 제조 기술에 대한 독특한 통찰력

일반적으로 제조 산업의 대부분의 혁신은 대형 3D 인쇄 부품을 생산할 수 있는 능력을 중심으로 개발됩니다. 그러나 전자, 생명 공학, 자동차 및 항공 우주 분야의 소형 장비에 대한 수요가 증가함에 따라 사람들은 미세 첨가제의 제조 기술에 점점 더 관심을 갖고 있습니다. 그렇다면 소형 부품 시장은 얼마나 클까요? 이번 호에서는 Nanoscribe, 3D Science Valley 및 Guyou의 사업 개발 관리자인 JRg Smolenski의 분석을 바탕으로 마이크로 적층 제조의 기본 원리와 다양한 유형의 미세 적층 제조 기술, 그리고 미세 적층 제조의 주요 이점을 이해합니다. 시장이 앞으로 나아가는 데 도움이 될 수 있는 기술과 개선해야 할 부분.

마이크로 3D 프린팅 기술

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작은 세상의 무엇과도 바꿀 수 없는

미세 적층 가공이라는 용어는 일반적으로 3D 미세 가공 또는 고정밀 적층 가공과 같은 의미로 사용되지만 사실 정확한 동의어는 아닙니다. 일반적으로 적층가공은 산업적 제조 환경을 의미하며, 3D 마이크로 프로세싱은 MEMS 제조에서 매우 대중적이고 널리 사용되는 포토리소그래피(photolithography) 공법(이는 거대한 성숙 시장이며 매우 성숙하다). 미세유체를 위한 방법, 전자빔 리소그래피를 기반으로 하는 디지털 방법 등과 같은 다른 많은 3D 미세가공 방법이 있습니다.

마이크로 적층 제조 기술의 현황을 설명하기 위해 3D 프린팅에서 부품이 먼저 구성되고 포인트 어레이를 통해 디지털 방식으로 기술된다고 가정합니다. 여기서 포인트(복셀)는 최소 프린팅 단위를 나타냅니다. 복셀 크기 범위는 나노미터에서 거시적입니다. 따라서 마이크로 3D 프린팅 공정은 마이크로 제품 제조에 중요한 마이크론 또는 서브 마이크론 복셀을 사용해야 합니다. 따라서 "마이크로 3D 프린팅"이라는 용어는 마이크로 사출 성형 공정 및 기타 유형의 기존 제조 공정을 사용하여 모양을 얻을 수 없는 초정밀, 작은 부품의 제조를 의미합니다.

3D Science Valley에 따르면 3D 프린팅 기술 개발에는 두 가지 다른 초점이 있으며 그 중 하나는 대형 3D 프린팅 기술입니다. 또 다른 초점은 마이크로 측면, 즉 정밀 및 마이크로 디바이스를 제조할 수 있는 3D 프린팅 기술입니다. 마이크로 나노 3D 프린팅은 3D 프린팅 기술의 장점을 구현하는 복잡하고 미세한 장치를 생산하거나 정밀 장치 제조 산업을 뒤집을 것입니다.

작은 힘이 세상을 바꾼다! 3D Science Valley는 미크론 수준의 3D 프린팅 회사인 Cytosurge의 핵심 기술이 ETH Zurich University of Technology에서 나온다고 말한 적이 있습니다. 특허받은 FluidFM 기술을 기반으로 혁신적인 고정밀 나노 기술 금속 3D 프린터를 개발, 제조 및 판매합니다. 이 기술은 유체력 현미경 기술을 대표하며 생명 과학 및 생물 물리학에 많은 응용 분야를 가지고 있습니다.

중국에서 West Lake의 미크론 수준의 정확도를 가진 미래의 스마트 3D 정밀 제조 기술은 금속, 세라믹, 자성 재료, 폴리머, 등.

부품이 5미크론의 층 두께와 2미크론의 분해능(한 자리 마이크로미터)으로 측정되면 마이크로 3D 프린팅 프로세스가 시작됩니다. 흥미롭게도 일부 미세 적층 제조 공정은 마이크론보다 1000배 작은 나노미터(nm) 단위로 측정된 부품을 생산할 수 있습니다. 예를 들어, 이 수준의 미세 제조가 어떤 것인지 더 잘 시각화하기 위해 사람들은 일반적으로 머리카락의 평균 너비가 75미크론이고 인간 DNA 가닥의 직경이 2.5나노미터라는 것을 기억합니다.

소형화에서는 전체 치수의 제어가 중요하며 마이크로 3D 프린팅은 "차세대" 소형화를 달성할 수 있습니다. 특히 전자, 광학, 반도체, 의료 기기, 의료 도구, 미세 사출 성형, 미세 유체 공학 및 센서와 같은 응용 분야는 마이크로 3D 프린팅이 독특한 역할을 하는 분야입니다.

예를 들어, 고정밀 3D 바이오프린팅은 조직 공학 및 세포 연구를 위한 맞춤형 스캐폴드로 사용할 수 있으며 정밀도, 속도, 재료 다양성 및 무균성을 요구하는 다른 많은 혁신적인 생물의학 미세 환경에 적용할 수 있습니다. 3D 마이크로 프로세싱은 생명 과학 연구를 이 분야의 질병을 치료하기 위한 재생 의학의 개념에 더 가깝게 만들 수 있습니다. 예를 들어, Boston University의 과학자들은 맞춤형 3D 미세 환경에서 심근 조직을 연구하기 위해 2-광자 중합(2PP)으로 제조된 미세 유체 칩 플랫폼을 통해 부드럽고 기계적으로 활성인 세포 배양 플랫폼을 개발했습니다. 이 세포 배양 플랫폼은 심장 조직이 3D 환경에서 성장할 수 있도록 하고 칩의 수직 벽에 있는 세포 부착 부위에서 자기 조립을 관찰할 수 있습니다. 통합된 전자 센서는 배양된 심장 세포의 수축에 의해 생성된 힘을 측정합니다. 또한 연구원들은 기계식 액추에이터를 칩에 통합했습니다. 이 액추에이터를 사용하여 과학자들은 심장 조직에 대한 일정하고 동적 기계적 변형의 영향을 연구했습니다. 우리는 조직 공학, 세포 생물학 및 재생 의학에서 마이크로 3D 프린팅의 다른 많은 흥미로운 응용을 기대할 수 있습니다.

Quantum X의 통합 2광자 그레이 스케일 리소그래피(2GL)와 기본 복셀 튜닝 기술은 서브미크론 모양 정확도와 5nm(Ra) 미만의 표면 거칠기로 2.5D 미세 구조를 생성할 수 있습니다.

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일반적으로 우리는 10미크론 이하가 마이크로 적층 제조라고 믿습니다. 물론 이들 모두가 1-3 미크론 범위에 있다면 이것이 마이크로 AM의 가장 정확한 정의입니다.

여러 유형의 AM 프로세스와 마찬가지로 FFD(퓨즈 증착), DIW(직접 잉크 쓰기), DED(직접 에너지 증착), LOM(적층 물체 제조), 전기 유체 역학적 산화 환원 인쇄( EHDP), 분말층 용융(PBF), 광중합 기반 3D 프린팅(P3DP) 및 레이저 화학 기상 증착(LCVD).

마이크로 3D 프린팅 기술

3D 사이언스 밸리 백서

Resin 기반 마이크로 3D 프린팅 공정은 해상도, 품질, 재현성 및 속도 면에서 장점으로 인해 현재 시장에서 가장 인정받는 공정입니다. 또한 DED 및 EHDP는 더 높은 해상도를 얻을 수 있습니다. 그러나 이러한 프로세스와 관련된 높은 비용과 낮은 제조 속도는 적용을 제한합니다. 그러나 해상도가 제한적이기 때문에 작은 고정밀 부품이나 구조를 구현하는 데 여전히 한계가 있습니다.

이러한 방법과 비교하여 Nanoscribe의 2PP는 100nm만큼 낮은 최소 기능 크기를 생성할 수 있습니다. 연구에 따르면 새로운 광학 방법의 개발은 미세 적층 제조 공정, 특히 광중합을 기반으로 한 3D 프린팅 공정의 발전으로 이어졌습니다. 전문가에 따르면 UV 빔과 같은 파장이 더 짧은 광원과 NA(개구수)가 더 높은 대물 렌즈를 사용하면 일반적으로 마이크로 AM에서 가장 두드러진 문제 중 하나인 더 높은 해상도를 얻을 수 있습니다.

열처리 및 라미네이션에 기반한 다른 방법에 비해 광학 방법은 인접한 복셀의 연결을 더 강하게 만듭니다. UV 경화와 같은 후처리 단계는 3D 프린팅 구성 요소의 품질을 개선하는 데도 도움이 됩니다. 마지막으로 보고서는 가공 영역과 조명 시스템 사이의 비접촉 방식으로 인해 가공된 원료의 레이저 스폿 또는 광학 패턴이 안정성과 반복성을 향상시키는 데 도움이 될 수 있다고 말합니다.

마이크로 첨가제의 가장 잘 알려진 제조 공정에는 DLP 및 마이크로 스테레오 리소그래피(μ SLA), 프로젝션 마이크로 스테레오 리소그래피(P μ SL), 2광자 중합(2PP 또는 TPP), 리소그래피 기반 금속 제조( LMM), 전기화학 증착 및 마이크로스케일 선택적 레이저 소결(μ SLS).

직접광 프로젝션(DLP) 기술

DLP 기술은 DLP와 적응형 광학 장치를 결합하여 반복 가능한 미크론 해상도를 달성할 수 있습니다. 일반적으로 매우 유사하다고 불리는 SLA와 SLA의 주요 차이점 중 하나는 SLA는 레이저를 사용하여 한 레이어를 추적해야 하는 반면 DLP는 투영 광원을 사용하여 전체 레이어를 한 번에 굳힌다는 것입니다.

마이크로 광조형술(μ SLA)

또한 광유도층 적층을 기반으로 하는 MPuSLA(마이크로 스테레오 리소그래피)는 감광성 고분자 수지를 자외선 레이저에 노출시켜 물리적 부품을 만드는 데 사용됩니다.

프로젝션 마이크로 스테레오 리소그래피(P μ SL)

P μ SL은 영역 투영 μm에 의해 트리거되는 고해상도(최대 0.6) 광중합입니다. 이 프로세스를 기반으로 하는 기계는 일반적으로 DLP와 SLA 기술의 장점을 결합한 것으로 간주됩니다. 경제성, 정확성, 속도 및 폴리머, 생체 재료 및 세라믹을 처리하는 능력으로 인해 프로세스가 빠르게 발전했습니다.

포토리소그래피 기반 금속 제조

감광성 수지에 균일하게 분산시킨 후 청색광에 노출시켜 금속 분말을 선택적으로 중합시킨다. 그런 다음 3D 인쇄된 녹색 부품을 용광로에서 소결하여 조밀한 부품을 얻습니다.

2광자 중합(2PP 또는 TPP)

이 프로세스는 일반적으로 마이크로 3D 프린터 중 가장 정확한 것으로 간주됩니다. 2PP는 고가의 마스크 생성 및 다중 리소그래피 없이 3D 및 2.5D 미세 구조에서 작업할 수 있는 직접 레이저 쓰기 방법입니다. 2PP는 마스크리스 리소그래피와 고정밀 적층 제조 사이에서 잠재력을 최대한 발휘했다고 할 수 있습니다.

3D Science Valley의 시장 이해에 따라 2PP는 광섬유, 포토닉 칩 및 내부 씰이 있는 미세 유체 채널의 응용 분야와 같은 웨이퍼 레벨 평면 기판의 부품 미세 제조를 촉진했습니다.

2PP는 가공을 용이하게 하고 최적의 해상도와 형상 정확도를 달성하고 다양한 응용 분야에 맞게 조정하기 위해 특수 감광성 수지가 필요합니다. 현재 이광자 중합을 기반으로 한 고정밀 3D 프린팅은 생물 의학 장비, 마이크로 광학, MEMS, 미세 유체 장비, 광자 패키징(예: PIC), 표면 엔지니어링 프로젝트 등과 같은 애플리케이션 설계의 신속한 프로토타이핑에 매우 적합합니다. 웨이퍼 처리 기능을 통해 3D 마이크로 부품의 배치 처리 및 소량 배치 생산이 그 어느 때보다 쉬워졌습니다.

전기화학 증착

전기화학적 증착은 후처리가 전혀 없는 희귀한 마이크로 3D 프린팅 기술입니다. 이 프로세스는 이온 팁이라고 하는 작은 프린트 노즐을 사용하고 지지하는 전해질 수조에 담급니다. 조절된 공기 압력은 이온 팁의 마이크로 채널을 통해 금속 이온을 포함하는 액체를 밀어냅니다. 마이크로 채널의 끝에서 이온을 포함하는 액체는 인쇄 표면으로 방출됩니다. 용해된 금속 이온은 고체 금속 원자로 전착됩니다. 그런 다음 후자는 부품이 형성될 때까지 더 큰 빌딩 블록(복셀)으로 자랍니다.

마이크로 스케일 선택적 레이저 소결(μ SLS)

미크론 수준의 선택적 레이저 소결(SLS)이라고도 하는 분말층 융합을 기반으로 하는 이 적층 제조는 기판에 금속 나노 입자 잉크 층을 코팅한 다음 건조하여 균일한 나노 입자 층을 생성하는 것을 포함합니다. 그런 다음 레이저는 나노 입자를 원하는 패턴으로 소결했습니다. 그런 다음 부품이 생성될 때까지 프로세스를 반복합니다.

매혹적인 작은 부품

2광자 그레이 스케일 리소그래피(2GL)와 더 높은 출력의 레이저와 향상된 하드웨어(예: 스테이지 및 스캐너)의 조합과 같은 새로운 처리 기술의 발전으로 마이크로 적층 제조의 현상이 바뀌었습니다. 대조적으로 DLP, SLA 및 프로젝션 마이크로 스테레오 리소그래피(P μ SL)와 같은 다른 전통적인 적층 제조 기술은 더 큰 구조만 제조할 수 있지만 고해상도(<1 μ="" m)="" 3d="" micromachining,="" they="" will="" encounter="" geometric="" constraints.="" due="" to="" the="" inherent="" direct="" illumination="" of="" ultraviolet="" light,="" the="" resolution="" and="" design="" geometry="" are="">

3D Science Valley의 시장 관찰에 따르면 Nanoscribe는 최근 출시된 Quantum X align으로 광자 패키징을 위한 새로운 산업 솔루션을 제공합니다. 커플링 손실은 칩 레벨이 아닌 컴포넌트 레벨에서 모드 필드 매칭을 통해 감소됩니다. 나노 정밀 자동 정렬을 통한 고정밀 3D 프린팅은 포토닉 칩 및 파이버 코어에 마이크로 광학 요소의 직접 제작을 촉진하고 자유형 마이크로 광학 요소 또는 회절 광학 요소(DOE)를 적절한 위치에 직접 인쇄하여 최적의 광학을 촉진합니다. 포토닉 플랫폼에서의 커플링.

Nanoscribe의 독점적인 2광자 그레이 스케일 리소그래피(2GL)는 최고의 모양 정확도 및 광학 등급 표면(Ra 5nm 이하)과 같은 광학 응용 분야를 위한 2.5D 구조의 고정밀 미세 가공 속도를 크게 높입니다. 생산 규모를 더욱 확장하기 위해 Nanoscribe는 EV Group 및 kdg opticom과 함께 두 가지 안정적이고 입증된 복제 전략을 시도했습니다.

모든 3D 프린팅 프로세스와 마찬가지로 마이크로 3D 프린팅은 사용자가 디자인의 자유를 누릴 수 있도록 합니다. 광자 통합, 광 컴퓨팅 및 데이터 통신 분야의 과제 중 하나는 광자 구성 요소의 정렬 및 패키징을 촉진하는 것입니다. 하드웨어 및 소프트웨어를 기반으로 하는 특수 3D 프린팅 솔루션은 효율적인 저조도 커플링을 달성할 수 있습니다.

기존의 제조 공정으로 제조된 동일한 부품에 비해 작은 부품을 제조하는 속도가 매혹적입니다. 초소형 마이크로 제품의 발달로 마이크로 3D 프린팅은 작고 정밀한 부품을 다루는 모든 산업에 적용 가능합니다. 전통적으로 소형 부품 제조 비용은 높았지만 이제는 미세 적층 제조가 더 저렴하고 사용하기 쉬운 솔루션을 제공하고 있습니다.

아는 것은 깊지만 행하는 것은 멀다. 3D Science Valley는 제조 산업의 글로벌 전문가 싱크 탱크 네트워크를 기반으로 글로벌 관점에서 적층 재료 및 지능형 제조에 대한 심층 관찰을 산업에 제공합니다. 적층 제조에 대한 자세한 분석은 3D Science Valley에서 발표한 백서 시리즈를 주목해주세요.