微纳3D打印能制造复杂、微细器件

发布日期:2018-01-12

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传统制造工艺在制造微接插件、内窥镜用微镜片等高度复杂、微细、结构精密的小器件时,面临诸多棘手挑战。这些器件都需要高端精密制造工艺,来创造精确的表面面型和复杂的内部结构,成本高昂。而现在,先进的微纳3D打印技术能逾越这些障碍,使复杂部件的定制化更加容易,生产速度也更快。这也响应了精密制造在其他领域逐步增长的需要。

 

市场调研机构Technavio预计,全球3D打印服务市场在2021年前将以每年44%的速度增长。对精密制造需求的扩大,极大促进了3D打印服务的增长。例如,根据Transparency Market Research的预计,全球眼镜市场2018年的年复合增长率(CAGR)将达3.7%,估值达1300亿美元。

 

许多制造难题如今可以在这一新兴且低成本的生产方式中找到答案,微纳3D打印器件的市场潜力可见一斑。”深圳摩方材料科技有限公司资深科学家、顾问委员会成员William Plummer博士评价道。摩方材料在美国波士顿及中国深圳同步运营,是一家专注于制造微纳3D打印系统及材料的企业,也为使用其设备的公司提供定制化3D打印服务。

 

一些知名的3D打印初创企业,如Desktop Metal、Carbon,在市场中获得了诸多关注,这些企业大多聚焦于大幅面的制造。但随着3D打印技术快速发展,打印更精密、微细器件的能力进一步提高。

 

微纳3D打印能制造复杂、精细的器件,这是3D打印技术优势的最佳体现,或将颠覆精密器件制造业。今天,摩方材料等企业将这一技术带到了新的高度,打印设备的精度能达微米/纳米级别,并且有能力进行大产量制造。Plummer博士称,摩方的优势在于其设备精度极高,并且对材料和工艺有独一无二的选择:“摩方的精密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、要求极高的医疗器件。”

 

技术原理

很少有像3D打印这样技术的发展,尤其是微纳3D打印,能如此激发公众的无穷想象,启发工程和艺术创造。3D打印的第一步是在数码文件中创造一个实体三维模型。这并非一项新技术,但目前的进展使其能以更实用的方式,创造样品原型、一次性器件,以及传统铸模和CNC(电脑数控)机床制造中成本过高、难以实现的项目。

 

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”,原理很像微视频显示设备,系列图像会通过缩影镜头连续投影到需固化的光敏树脂上。缩小的图像投聚在光敏树脂上,紫外光会引起树脂的固化或硬化的过程,这一过程也被称为光致交联。只有光照射的地方会固化、变硬,形成预设的3D形状。所投影的图案由三维图像决定,是电脑生成的三维模型的横截面。辅之独特的后处理技术,摩方能制造各种产品,包括陶瓷和光学镜片。

 

微纳3D打印和“传统”3D打印的主要区别在于,微纳3D打印能达到“传统”3D打印无法达到的高精度。微纳3D打印的精度能达到细观、微观和纳观(即十亿分之一米)级别。这一特性使得微纳尺度3D打印能批量复制微小结构,制造真正处于微观级别的器件,实现一般的3D打印无法企及的细节和精度。

 

近年来,3D打印行业发展迅速,如今消费者花200~500美元就能购买一台3D打印机。但这些低端打印机和复杂的微纳3D打印设备有很大的区别,而像摩方材料这种级别的公司可以通过制造和运用微纳尺度3D打印设备,生产出不同种类的精密器件。

 

 

精密制造

2016年5月,摩方材料进入高精度微纳3D打印市场。摩方源于麻省理工学院(MIT)纳米光电及3D纳米生产技术实验室,公司的技术基于2014和2015年被《麻省理工科技评论》(MIT Technology Review)列入十大突破性技术的“微型3D打印”和“纳米架构复合材料”。

 

新的制造尺度

贺晓宁称,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。目前,心血管支架复杂的内部结构需要用激光精加工完成。而3D打印使所需结构的成型更加容易,能实现更复杂的设计,并且和传统加工方法比,成本大大降低。

 

如今,电子接插件体积越来越小,细节也更加复杂。微纳3D打印技术让工程师们能为接插件设计高精密的复杂结构和不规则的形状。此外,贺晓宁说,摩方材料也接到了很多其他领域的打印订单,包括精密陶瓷器件。

 

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。和同等精密水平的传统工艺相比,微纳3D打印不仅精度更出色,成本显著降低,生产效率更高,制造方法也更加容易。

 

全球高精密部件的市场需求庞大,利润十分可观。但很多时候,传统技术完全发挥不上作用,”贺晓宁说。谈及制造微器件的挑战时,他借用了一句行话:“追求越极致,挑战就越大。

 

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