微纳金属3d打印设备技术应用：AFM探针？

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2024-02-09 16:00 标签： 金属3d打印设备
2018-06-26 20:36
来源:
3D智慧湾
3D打印有两个不同的发展方向。一个是宏观方面的，即大尺寸的3D打印技术；另一个是微观方面的，即能够制造精密结构的3D打印技术。这种技术称为微纳米尺度3D打印。在精密结构的3D打印技术领域，深圳摩方材料是该领域的领先者。
摩方材料专有的技术称为“PμLSE”（Projection Micro Litho Stereo Exposure），即“面投影微立体光刻”，通过紫外光固化树脂来成型。这种3D打印技术能制造小型机械部件，如微型弹簧、特殊形状的电子接插件，甚至能制造心血管支架这样极为复杂的医疗器件。
Δ微纳米3D打印
微纳米尺度3D打印是目前全球最前沿的先进制造领域之一。复杂三维微纳结构在微纳机电系统、精密光学、生物医疗、组织工程、新材料、新能源、高清显示、微流控器件、微纳光学器件、微纳传感器、微纳电子、生物芯片、光电子和印刷电子等领域有着巨大的产业需求。
摩方简介
提到摩方材料，用一句话评论就是，这是一家微纳尺度3D打印及颠覆性精密加工能力解决方案提供商。目前，在摩方担任资深科学家的有公司联合创始人兼麻省理工学院终身教授方绚莱教授、美国工程院院士、光学专家William Plummer教授，及被誉为“全球眼镜学之父”的MoJalie教授。
摩方的微纳米级3D打印技术被《麻省理工科技评论》列为2015年全球10大颠覆性技术突破第二名，也是该领域公认的全球4支前沿团队中唯一的华人团队。
Δ微纳米尺度3D打印
微纳制造，精密必现
大家都知道，传统的切削加工，包括机械、激光、超声切削，属于减材制造。减材制造最难以实现的部分之一体现在装配上。尤其是在微尺度结构领域，增材制造去除了组装的难度，甚至能够取代装配的步骤。在打印精度方面，传统加工制造很难达到比较高的精度，而微观的打印能够轻易地达到10微米以下。
Δ三维点阵模型
Δ微型弹簧
Δ超高XY打印精度
3D打印的潜在优势，体现在批量的个性化制造。在宏观领域，相对比较难实现批量制造；而微结构的3D打印领域，为大规模个性化制造提供了可能性。
方绚莱教授为我们举了一个例子：第一代的集成电路只有4个单元，经过几十年的发展，如今的集成电路有几千万个单元，这是随着科技进步精细度不断提升的结果。又比如，手机上的相机成本可以做到几美元一个，而传统的单方相机还是几千美元。3D打印的微观精密结构就在这些领域体现出了它的价值。
Δ微缩艺术品：唐代佛像
Δ微缩艺术品：无锡玉飞凤
Δ生物支架
Δ三维点阵模型
不是竞争对手，而是重要补充
我们知道德国公司Nanoscribe，与摩方的技术路线类似，2017年收入已达几千万美元，销售了150套设备，主要来自于3D打印机销售及微制造服务。Nanoscibe的技术路线虽然与摩方相似，但针对的是不同的用户。
ΔNanoscribe双光子3D打印（图片来源：Nanoscribe）
在目前阶段，虽然Nanoscibe已经卖出了150套设备，但是在市场上远远没有被满足。在摩方看来，工业领域市场还有更大的需求，有着非常广阔的应用空间。摩方真正的目标并不是取代Nanoscibe，而是要升级传统生产加工设备，类似传统注塑等方式。因此需要更多的用户来理解、合作，扩大认知程度。只有3D打印真正融入生产链，这个市场才能被培育起来。
据了解，深圳摩方材料科技有限公司自主研发的3D打印系统已被美国麻省理工学院（M.I.T）、阿联酋MasdarInstitute、南京大学、西安交通大学、中国科学院纳米所、香港城市大学等世界顶级科研机构使用。
Δ摩方材料3D打印设备nanoArchP140，采用PμLSE（面投影微立体光刻）技术，用于实现高精度多材料微纳尺度3D打印的设备
前景无限的3D打印高精度眼镜片
中国框架镜片市场年均销售额600亿元，其中镜片市场180亿元（相比之下，整个中国3D打印市场还达不到100亿元）在整个镜片行业中技术含量较高的镜片设计、驱动控制软件、模具加工、合成高折射树脂材料等环节，均被美国、欧洲、日本等境外公司掌控。3D打印镜片，将是一个重大的技术应用突破。
传统的眼镜片，均是以25度为单位。即100度，125度，150度……然而，人眼是复杂器官，每只眼睛都不同。据此，摩方提出以5度进阶的高精度、且可个性定制化生产的微纳3D打印新型镜片，为公众带来更健康、更符合人体需求的定制化镜片。
5度为基准的验光使患者有更精确的镜片选择，使眼睛处于放松状态。大量使用者日常佩戴后，从清晰度及舒适度角度，均有大幅提高。
3D打印镜片对于眼镜行业的意义犹如活字印刷对于出版业的意义，这种新技术能带来更快、更经济、更灵活、更准确的镜片生产。我们相信这种技术能够让视力障碍患者获得更舒适、光明的未来。
独特的3D打印材料
我们曾经介绍过方绚莱教授研发出受热收缩的3D打印超材料。方绚莱教授告诉我们，除了这种受热收缩的超材料，最近Nature杂志刊登了一项新的研发成果：磁性机器人。利用磁场驱动的机器人能够在很短的时间里改变其构型，按照预见设计好的方式进行形变。这种快速响应、利用磁场驱动的特性，只有在微观条件下才能实现，在宏观领域无法找到这样的例子。只有尺寸做到足够小，反应速度才能提升，对外场的响应形变才能更明显。
Δ负热膨胀多材料样件
未来：更多应用
在其它领域，摩方还处于更早期的阶段，但是我们已经看到了无限前景。微纳3D打印能实现的精密器件数不胜数，例如心血管支架、内窥镜、特定的电子接插件等。这些领域与国内的产业链结合，还需要一定时间。
Δ生物支架
Δ微纳3D打印微流控样件
和所有新兴技术一样，微纳3D打印正变得更加精密、功能更强大、成本更低。当然新的技术出现时，也会面对一定的挑战。借用一句行话：“追求越极致，挑战就越大”。我们相信在未来微纳米尺度3D打印能够在更多领域发挥出更大的价值。返回搜狐，查看更多
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发布人：机车学院时间：2022-03-03浏览：近日，我校机械与汽车工程学院朱晓阳老师指导博士研究生李红珂，硕士研究生李政豪和张厚超分别在国际权威期刊《Advanced Science》（影响因子：16.806），《Small》（影响因子：13.281），《ACS Applied Materials & Interfaces》（影响因子：9.229）以第一作者发表了电场驱动喷射微纳3D打印系列重要研究成果和突破性进展，青岛理工大学山东省增材制造工程技术研究中心为第一署名通讯单位，通讯作者均为朱晓阳副教授。
该系列研究成果聚焦于电场驱动喷射微纳3D打印技术及其在高性能透明电极制造中的应用研究：将电场驱动喷射微纳3D打印基底扩展至液态基底，研究了“双锥形”电场驱动喷射现象及液膜对打印材料“限制性”铺展作用，解决了厚膜导电浆料难以直接高分辨率印刷出可观高宽比金属网格、嵌入式金属网格透明电极难以直接打印成型等难题。同时，分别设计并制造了透明电加热玻璃、集成电热及光热的界面热蒸发器、电热驱动型透明4D打印结构、以及人体可穿戴的透明应变传感器，充分展示了所制造刚性及柔性金属网格透明电极的广泛应用潜能。
青岛理工大学3D打印团队在兰红波教授带领下，长期致力于微纳尺度3D打印这一前沿新兴技术、装备和工业化应用的研究与开发。在国内率先提出并开展了微纳3D打印技术和应用的研究，提出并建立了一种原创性的微纳增材制造新技术：电场驱动喷射沉积微纳3D打印；研制出国内首台具有完全自主知识产权的电场驱动喷射沉积微纳3D打印机。面向世界科技前沿和国家重大需求，近年提出先进电子与电路微纳增材制造新技术，并在多个前沿和新兴交叉领域取得突破。目前在低频/宽频透明电磁屏蔽，透明电加热，曲面共形电子（曲面共形天线，曲面透明电磁屏蔽，智能蒙皮），5G天线，透明天线，陶瓷电路、高性能柔性/拉伸透明电极，3D结构电子及柔性混合电子等方面应用效果显著，部分研究成果已经在民口、军口等单位得到应用和转化，尤其是高性能透明电磁屏蔽及透明电加热玻璃已具备批量化生产能力。目前，团队已经在国内外顶尖期刊Advanced Materials、Advanced Science、Small、ACS Applied Materials & Interfaces、科学通报、中国科学、机械工程学报等发表高影响力论文50余篇，微纳尺度3D打印方面专利位居全球首位（2020年数据），团队为学校双高建设积极做出贡献。这些研究工作得到国家自然科学基金、山东省自然科学基金重大基础研究项目、山东省重点研发计划、山东省高等学校青创科技支持计划及山东省自然科学基金等项目的资助。（撰稿：杨建军；审核：兰红波、彭子龙、山东省增材制造工程技术研究中心）
　　3D 打印技术又被称为“快速成型技术”，是一种以计算机图形文件为基础，对材料逐层累加堆积成型的三维构型加工方式。其中的3D微纳米打印在复杂三维微纳结构和高深宽比微纳结构制造方面具有很大的潜能和突出优势，而且还具有设备简单、效率高、用材广泛、直接成型等优点。　　本文将重点讲述微立体光刻(MSLA)、微激光烧结(MSLS)、熔融沉积造型(FDM)、片材层压(LOM)、双光子聚合(TPP)、直写成型技术(DIW)的基本结构原理和国内外应用现状，对不同3D微纳米打印技术进行对比分析。　　1、微立体光刻　　微立体光刻 (MSLA) 是基于快速成型中光固化成型技术的改进，率先由Ikuta和Hirowatari 在制作微固化聚合物的过程中引进。由于微立体光刻有着亚微米级的三轴移动精度，微米级的激光喷头，所以能够打印层厚只有1～10 μm的微型结构。　　根据成型方式的不同，微光刻主要分为扫描立体光刻和投影立体光刻。扫描立体光刻提出时间较早，主要是发散激光光斑逐层以点对点和面对面的方式固化光敏树脂，但是打印效率低，成本高，尤其是在激光束的对焦上会产生偏差。　　例如 Xu 等设计的一种激光光斑直径只有12.89 μm的扫描光刻系统，一次固化成型的最小层厚是20 μm。在扫描立体光刻的基础上，研究人员又开发出了投影立体光刻技术，使激光通过动态掩模上的图形后能够一次性曝光固化树脂，大大提高了成型效率。　　美国北卡罗来纳大学研究人员在《Science》上介绍了全新的 CLIP 技术，该技术在固化中充分利用了氧气阻碍聚合物的特点，更大幅度地提高了3D 成型速率，其速度是传统SLA的25倍。　　图1 投影微立体光刻成型示意图　　2、微激光烧结　　微激光烧结(MSLS)是使用高温激光或者电子束有选择性地熔化金属粉末并最后黏结成微尺度金属制品的一种快速成型方式。由于激光聚焦直径有限，普通 SLS系统还不能制造尺寸小于500 μm的微构件，因此想要获得高精度的微结构金属制品则需要更精密的结构和更细的金属颗粒。　　Streek等通过直接炉内烧结碳化硅粉末获得了6 mm 外径的微型齿轮，强度达到了航天工业级的要求，但是表面质量不高。而德国米特维达科技大学联合激光研究所共同推出一款可以制造高精度陶瓷和金属微结构的MLS系统，最大分辨率为30 μm，最小表面粗糙度为1.5 μm，大大提高了金属烧结制品的分辨率和表面粗糙度。　　2013年，德国 EOS 公司与3D-Micromac公司开展新型激光烧结金属3D打印机的研发合作，标志着微激光烧结商业化的开端。　　3、熔融沉积造型　　熔融沉积造型 (FDM)是一种通过计算机控制喷头移动和挤出来制作三维构件的快速成型方式。由于喷头结构和运动精度的限制，FDM成型的实物还难以达到微米级的高精度水平，但通过对设备改进和研究，打印成品的精度也逐步提升，一些工业级 Solidscape系统打印的最小层厚已在10 μm以下。　　Zein 等利用 FDM 技术制作了 PCL 生物多孔支架，支架的通道尺寸是160～700 μm，线径为260～370 μm，并呈现出了良好的拉伸和压缩力学性能。　　Vozzi 等通过改进喷头结构，设计了一种压力辅助微量注射(PAM)的方法，无需对材料加热熔融，直接使用气压驱动的微型注射器在基板上挤出生物材料支架，最终成型的尺寸控制在 10～200 μm，分辨率达到了10 μm。　　图2 熔融沉积造型示意图　　4、片材层压　　片材层压(LOM)技术主要是逐层铺设成张的纸或者金属片材，随后经激光切割后以黏结剂或者焊接的方式结合在一起。在这成型过程中使用焊接金属的工艺被称为超声波增材制造(UAM) ，而使用纸张的工艺被称为分层实体制造(LOM) 。　　由于片材层压所能达到的精度远远小于其他 3D 成型方式，所以一般很少将其用于微部件的 3D 打印，但在一些带有内腔结构的金属或者陶瓷常采用此方法。　　目前已经开发出计算机辅助制造片材层压材料的综合系统，专用于微小结构的成型。经激光切割完一层金属片或者陶瓷片形成规则图案后，迅速与之前的片层黏结，最后逐层堆积形成所需的形状图案。　　此外，该技术一次可以同时成型5种材料，其中一种或两种充当支撑材料，层厚变化范围在30～1300 μm。　　5、双光子聚合　　双光子聚合(TPP)是一种利用超强激光脉冲光源使光感材料、可聚合材料、液体材料交合，并在激光束聚焦区域硬化的成型工艺。相比于采用紫外激光单光子聚合的MSLA技术，双光子聚合采用了红外飞秒脉冲激光作为光源，突破了光学衍射的限制，能够制造分辨率高的纳米尺度任三维结构。　　双光子吸收的发生主要在脉冲激光的焦点处，当焦点直径只有几百微米时，聚合成型物的直径可以降到100 nm 以下，获得几十纳米的高精度尺寸。典型的双光子聚合 3D 打印系统是以飞秒激光源发射激光电源，先后经过快门后衰减器调节曝光时间和光强，最后经物镜聚焦后照射到树脂表面，在三维移动控制下按预定模型的路径进行扫描成型。　　Maruo 等首次在光敏树脂中利用双光子聚合打印出了微米级的三维微结构，而最近维也纳理工大学则将这一技术推向更高的水平，仅仅用时4 min 制造出一个285 μm的微型 F1 方程式赛车，打印速率达到了5 m/s，远远超出了之前的数毫米每秒的速率。　　图3 双光子聚合成型示意图　　6、直写成型　　直写成型(DIW) 跟熔融沉积原理类似，通过控制喷头内悬浮液的流出以及喷头的移动可以制备出各种不同形状的三维结构图案。　　根据流体挤出形式的不同，直写成型技术主要分为连续成型和液滴成型两种方式。其中液滴成型是通过控制静电场使带点液滴偏转而逐步堆积成型，连续成型则是控制液体流动堆积成型。直写成型可用材料范围广泛，功能性强，打印精度较高，因而受到了高度重视。　　Wang 等通过控制低熔点金属液滴的下落来实现对微液滴3D 打印的快速调控，液滴直径控制在300 μm 以下，加快了复杂金属构件的成型速度。Landers 等用连续成型技术成功打印出了温敏性水凝胶支架，实现了生物支架的柔性化。Jennifer 等通过对常规打印喷头的改进，在硅胶上打印出数十微米宽的炭黑电阻，从而制作了带有特定功能的柔性人体传感器。　　表1 3D 微纳米打印技术比较　　7、总结与展望　　3D 打印发展至今，在技术上已经取得不少的突破和进展，尤其是近些年多方面因素的推动，使得这项技术能够得到大面积推广和普及。　　微立体光刻、微激光烧结、双光子聚合这三种技术代表着未来3D 微纳米打印的发展趋势，可以为一些新材料、超材料的结构制造提供新的方法，扩大功能性材料的运用和发展; 而熔融沉积、直写成型、片材层压也将在之前基础上得到功能性的补充，获得更高的成型精度。　　但是当前3D 微纳米打印还存在着一些问题需要进一步的探索和研究：　　1) 成本较高，效率低。尤其是一些生物打印机的单台售价就在10万以上，工业级的激光烧结和熔融沉积机型也在几十万左右。尽管精度和成型质量较高，但是单件制作时间较长，还达不到批量化生产的水平。　　2) 材料依赖性高。尽管可供打印的材料范围很广，但是特定机型对应的材料却很有限，可供打印的功能性材料还有待开发。　　3) 复合材料的微纳米打印。现有的能够同时实现微纳米尺度和多种复合材料 结构的打印装置很少，而且打印的材料数量很有限，一般都是在5种以下，这也是值得去研究的重要方向。阅读(0)举报欢迎举报抄袭、转载、暴力色情及含有欺诈和虚假信息的不良文章。");
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