マイクロ 3D プリンティングへの洞察 - 付加製造技術への独自の洞察

Oct 07, 2022

伝言を残す

一般に、製造業におけるほとんどのイノベーションは、大型の 3D プリントパーツを製造する能力を中心に開発されています。しかし、エレクトロニクス、バイオテクノロジー、自動車、航空宇宙の分野で小型化された機器に対する需要が高まるにつれて、人々はマイクロ添加剤の製造技術にますます関心を寄せています。では、小型部品の市場規模はどれくらいですか? この号では、Nanoscribe の事業開発マネージャーである JRg Smolenski の分析に基づいて、3D Science Valley と Guyou が協力して、基本原理とさまざまな種類のマイクロ積層造形技術、およびマイクロ積層造形の主な利点を理解します。市場の前進に役立つテクノロジーと、改善が必要な領域。

マイクロ 3D 印刷技術

ナノスクライブ

かけがえのない小さな世界

マイクロアディティブマニュファクチャリングという用語は、通常、3D マイクロマシニングまたは高精度アディティブマニュファクチャリングと同じ意味で使用されますが、実際には正確な同義語ではありません。一般に、アディティブマニュファクチャリングは工業生産環境を指し、3D マイクロプロセッシングは、MEMS 製造で非常に人気があり広く使用されているフォトリソグラフィ法など、すべての方法を表す一般的な用語です (これは巨大な成熟市場であり、その方法は非常に成熟しています）。マイクロフルイディクスの方法、電子ビームリソグラフィーに基づくデジタル方法など、他の多くの3Dマイクロマシニング方法があります。

マイクロ付加製造技術の状況を説明するために、3D 印刷では、最初に部品が構成され、点 (ボクセル) が印刷の最小単位を表す点配列を介してデジタル的に記述されると仮定します。ボクセルのサイズは、ナノメートルから巨視的なものまでさまざまです。したがって、マイクロ 3D 印刷プロセスでは、マイクロ製品の製造に不可欠なミクロンまたはサブミクロンのボクセルを使用する必要があります。したがって、「マイクロ 3D プリンティング」という用語は、マイクロ射出成形プロセスやその他の従来の製造プロセスでは実現できない形状の超高精度で小さな部品の製造を指します。

3D Science Valley によると、3D プリント技術の開発には 2 つの異なる焦点があり、そのうちの 1 つはラージフォーマット 3D プリント技術です。もう1つの焦点は、ミクロの側面、つまり、精密で微細なデバイスを製造できる3D印刷技術です。マイクロナノ 3D プリンティングは、3D プリンティング技術の利点を具現化した複雑で微細なデバイスを製造できます。または、精密デバイス製造業界を覆します。

小さな力が世界を変える！ 3D サイエンスバレーはかつて、ミクロンレベルの 3D 印刷会社 Cytosurge のコア技術が ETH チューリッヒ工科大学から来ていることを共有しました。特許取得済みの FluidFM 技術に基づいて、革新的な高精度ナノテクノロジー金属 3D プリンターを開発、製造、販売しています。この技術は流体力顕微鏡技術の代表であり、生命科学や生物物理学で多くの用途があります。

中国では、西湖のミクロンレベルの精度を備えた将来のスマート3D精密製造技術は、金属、セラミック、磁性材料、ポリマー、等

部品が 5 ミクロンの層の厚さと 1 桁のマイクロメートル単位で 2 ミクロンの解像度で測定されると、マイクロ 3D プリントプロセスが開始されます。興味深いことに、一部のマイクロ積層造形プロセスでは、1 ミクロンの 1000 分の 1 のナノメートル (nm) 単位で測定されるコンポーネントを生成できます。たとえば、このレベルのマイクロ製造がどのようなものかをよりよく視覚化するために、通常、人間の髪の毛の平均幅は 75 ミクロンであるのに対し、人間の DNA 鎖の直径は 2.5 ナノメートルであることを覚えています。

小型化では、全体の寸法の制御が重要であり、マイクロ 3D プリンティングは小型化の「次のレベル」を達成できます。具体的には、エレクトロニクス、光学、半導体、医療機器、医療ツール、マイクロ射出成形、マイクロフルイディクス、センサーなどのアプリケーションは、マイクロ 3D プリンティングが独自の役割を果たす分野です。

たとえば、高精度の 3D バイオプリンティングは、再生医療や細胞研究のためのカスタマイズされた足場として使用でき、精度、速度、材料の多様性、無菌性を必要とする他の多くの革新的な生物医学的微小環境に適用できます。 3D マイクロプロセッシングは、生命科学研究を、この分野の疾患を治療するための再生医療の概念に近づけることができます。たとえば、ボストン大学の科学者は、カスタマイズ可能な 3D 微小環境で心筋組織を研究するために、2 光子重合 (2PP) によって製造されたマイクロ流体チッププラットフォームを介して、ソフトで機械的にアクティブな細胞培養プラットフォームを開発しました。この細胞培養プラットフォームは、心臓組織が 3D 環境で成長することを可能にし、チップの垂直壁の細胞付着部位でその自己組織化を観察できます。統合された電子センサーは、培養心臓細胞の収縮によって生成される力を測定します。さらに、研究者は機械式アクチュエータをチップに統合しました。このアクチュエータを使用して、科学者は心臓組織に対する一定かつ動的な機械的ひずみの影響を研究しました。組織工学、細胞生物学、再生医療におけるマイクロ 3D プリンティングの他の多くのエキサイティングなアプリケーションが期待できます。

Quantum X の統合された 2 光子グレースケールリソグラフィ (2GL) とその基本的なボクセルチューニングテクノロジは、サブミクロンの形状精度と 5 nm (Ra) 未満の表面粗さで 2.5D 微細構造を生成できます。

ナノスクライブ

一般的に言えば、10ミクロン以下はマイクロアディティブマニュファクチャリングであると考えています。もちろん、これらすべてが 1-3 ミクロンの範囲内にある場合、これがマイクロ AM の最も正確な定義です。

いくつかのタイプの AM プロセスと同様に、マイクロ AM プロセスにもさまざまなタイプがあります。たとえば、ヒューズデポジション (FFD)、ダイレクトインク描画 (DIW)、ダイレクトエネルギーデポジション (DED)、ラミネート加工 (LOM)、電気流体力学的レドックス印刷 ( EHDP)、粉末床溶融 (PBF)、光重合ベースの 3D 印刷 (P3DP)、およびレーザー化学蒸着 (LCVD)。

マイクロ 3D 印刷技術

3D サイエンスバレーホワイトペーパー

樹脂ベースのマイクロ 3D プリントプロセスは、解像度、品質、再現性、速度の点で優れているため、現在市場で最も認知されているプロセスです。さらに、DED と EHDP はより高い解像度を実現できます。ただし、これらのプロセスに関連するコストが高く、製造速度が低いため、アプリケーションが制限されます。ただし、解像度が限られているため、小型で高精度の部品や構造を実現するにはまだ限界があります。

これらの方法と比較して、Nanoscribe の 2PP は 100 nm という最小フィーチャサイズを生成できます。研究によると、新しい光学的手法の開発により、マイクロ積層造形プロセス、特に光重合に基づく 3D 印刷プロセスが進歩しました。専門家によると、波長の短い光源 (UV ビームなど) と NA (開口数) の高い対物レンズを使用すると、より高い解像度を実現できます。これは通常、マイクロ AM の最も顕著な課題の 1 つです。

光学的方法は、熱処理やラミネーションに基づく他の方法と比較して、隣接するボクセルの接続をより強固にします。 UV 硬化などの後処理ステップも、3D プリントコンポーネントの品質向上に役立ちます。最後に、レポートは、加工エリアと照明システムの間の非接触方法により、加工された原材料のレーザースポットまたは光学パターンが安定性と再現性の向上に役立つと述べています。

そうは言っても、マイクロアディティブの最もよく知られている製造プロセスには、DLPおよびマイクロステレオリソグラフィー（μSLA）、投影マイクロステレオリソグラフィー（PμSL）、2光子重合（2PPまたはTPP）、リソグラフィーベースの金属製造（ LMM)、電気化学的堆積およびマイクロスケールの選択的レーザー焼結( μ SLS)。

ダイレクトライトプロジェクション (DLP) テクノロジー

DLP テクノロジは、DLP と補償光学を組み合わせることで、再現可能なミクロンの解像度を実現できます。通常非常に似ていると呼ばれる SLA と SLA の主な違いの 1 つは、SLA がレーザーを使用して 1 つのレイヤーを追跡する必要があるのに対し、DLP は投影光源を使用して一度にレイヤー全体を固化することです。

マイクロステレオリソグラフィー（ μ SLA)

また、光誘起層スタッキングに基づいて、マイクロステレオリソグラフィー (MPuSLA) を使用して、感光性ポリマー樹脂を紫外線レーザーにさらすことによって物理コンポーネントを構築します。

プロジェクションマイクロステレオリソグラフィー（PμSL）

P μ SL は、高解像度 (最大 0.6) の光重合であり、面積投影 μ m) によって引き起こされます。このプロセスに基づくマシンは、一般に、DLP と SLA テクノロジの利点を組み合わせていると考えられています。手頃な価格、精度、速度、およびポリマー、生体材料、およびセラミックスを処理する能力により、このプロセスは急速に発展しました。

フォトリソグラフィによる金属加工

感光性樹脂に均一に分散させた後、青色光を照射することで金属粉末を選択的に重合させます。 3D プリントされたグリーンパーツは、炉内で焼結され、緻密なパーツが得られます。

二光子重合（2PPまたはTPP）

このプロセスは、一般に、マイクロ 3D プリンターの中で最も正確であると考えられています。 2PP は直接レーザー描画法であり、高価なマスク生成や複数のリソグラフィーを使用せずに 3D および 2.5D 微細構造に使用できます。 2PPは、マスクレスリソグラフィーと高精度積層造形の間でそのポテンシャルを十分に発揮していると言えます。

3D サイエンスバレーの市場理解によると、2PP は、例えば、光ファイバー、フォトニックチップ、および内部シールを備えたマイクロ流体チャネルのアプリケーション分野で、ウエハーレベルの平面基板上の部品のマイクロ製造を促進しました。

2PP は、処理を容易にし、最適な解像度と形状精度を実現し、さまざまな用途に合わせて調整するために、特別な感光性樹脂を必要とします。現在、2 光子重合に基づく高精度 3D プリンティングは、生物医学機器、マイクロ光学、MEMS、マイクロ流体機器、フォトニックパッケージング (PIC など)、表面工学プロジェクトなどのアプリケーションデザインのラピッドプロトタイピングに非常に適しています。ウェーハ処理機能により、バッチ処理と 3D マイクロパーツの少量バッチ生産がかつてないほど容易になります。

電気化学的堆積

電気化学的堆積は、後処理を必要としない希少なマイクロ 3D プリント技術です。このプロセスでは、イオンチップと呼ばれる小さな印刷ノズルを使用し、それを支持電解質槽に浸します。調整された空気圧は、金属イオンを含む液体をイオンチップのマイクロチャネルに押し込みます。マイクロチャネルの端で、イオンを含む液体が印刷面に放出されます。溶解した金属イオンは、固体金属原子に電着します。後者は、パーツが形成されるまで、より大きなビルディングブロック (ボクセル) に成長します。

マイクロスケール選択的レーザー焼結（ μ SLS)

ミクロンレベルの選択的レーザー焼結 (SLS) とも呼ばれる粉末床融合に基づくこの付加製造では、基板上に金属ナノ粒子インクの層をコーティングし、それを乾燥させて均一なナノ粒子層を生成します。次に、レーザーはナノ粒子を所望のパターンに焼結した。次に、パーツが作成されるまでプロセスを繰り返します。

魅力的な小さなパーツ

2 光子グレースケールリソグラフィ (2GL) などの新しい処理技術の進歩と、より高出力のレーザーと改良されたハードウェア (ステージやスキャナーなど) の組み合わせにより、マイクロ付加製造の現状は変化しました。対照的に、DLP、SLA、プロジェクションマイクロステレオリソグラフィー (P μ SL) などの従来の付加製造技術は、高解像度になると、より大きな構造しか製造できません (<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 サイエンスバレーの市場観察によると、Nanoscribe は、最近発売された Quantum X align を使用して、フォトンパッケージングの新しい産業ソリューションを提供します。結合損失は、チップレベルではなくコンポーネントレベルでのモードフィールドマッチングによって低減されます。ナノ精度の自動位置合わせによる高精度 3D プリンティングは、フォトニックチップおよびファイバーコア上でのマイクロ光学素子の直接製造、および適切な位置での自由形状マイクロ光学素子または回折光学素子 (DOE) の直接印刷を促進し、最適な光学素子を促進します。フォトニックプラットフォームで結合します。

Nanoscribe 独自の 2 光子グレースケールリソグラフィ (2GL) は、最高の形状精度や光学グレードの表面 (Ra 5 nm 以下) などの光学アプリケーション向けの 2.5D 構造の高精度微細加工を大幅に高速化します。生産規模をさらに拡大するために、Nanoscribe は EV Group および kdg opticom と共に、信頼性と実績のある 2 つの複製戦略を試しました。

他の 3D プリンティングプロセスと同様に、マイクロ 3D プリンティングでは、ユーザーが自由にデザインできるという利点があります。フォトニック統合、光コンピューティング、およびデータ通信の分野における課題の 1 つは、フォトニックコンポーネントの配置とパッケージングを促進することです。ハードウェアとソフトウェアに基づく特別な 3D プリンティングソリューションは、効率的な微光レベルのカップリングを実現できます。

従来の製法で製造された同じ部品と比べて、小さな部品を製造する速度は魅力的です。小型化されたマイクロ製品の開発により、マイクロ 3D 印刷は、小型で精密な部品を扱うすべての産業に適用できます。従来、小型部品の製造コストは高かったのに対し、マイクロ積層造形は現在、より安価で使いやすいソリューションを提供しています。

知ることは深いですが、行うことは遠いです。 3D サイエンスバレーは、製造業のグローバルエキスパートシンクタンクネットワークに基づいて、グローバルな視点から積層材料とインテリジェント製造の詳細な観察を業界に提供します。アディティブマニュファクチャリングの詳細な分析については、3D サイエンスバレーが発表したホワイトペーパーシリーズに注目してください。