分析贴！微型3D打印技术与潜力

导读：3D打印技术的发展正在逐渐改变传统制造方法。除了常规工业制在之外，这项技术正在向另一种制造领域发展。为了满足摩尔定律的需求，在电子电路领域上，3D打印正在向制造尺寸更小的电子元器件发展——从计算机芯片到硬件部件。

△Boston Micro Fabrication的Projection Micro-Stereolithography (PμSL) 技术可实现小型化3D打印。

为什么需要微型3D打印机？

虽然设计自由是3D打印最强大的功能，但在精度和准确性方面，现有的机器精度仍然与制造目标有些差距。为了弥补这一差距，我们必须开发全新的3D打印机。现有3D打印机的精度水平通常受到几个因素的限制。在标准的长丝3D打印机中，精度由喷嘴尺寸决定。树脂3D打印的精度取决于诱发光聚合的光源的精度。在粘合剂喷射3D打印中，喷嘴尺寸也在物理程度上限制了打印精度。

△3D打印喷头

与注射成型等更传统的方法相比，3D打印在精度方面仍然处于劣势。因此，在制造非常小的零件时，依靠3D打印的公司并不多。其中包括微芯片、助听器、手术工具和光学元件。虽然3D打印在微尺度应用上还有很大技术难度，但是与注塑成型在制作非常小的零件所需的成本相比，这项技术似乎可能降低生产价格。另外，将3D打印的设计自由带入微观尺度，也可以为突破更多传统制造的限制，生产更加复杂的结构。

微型3D打印技术是否已经存在？

在过去的几年里，多家公司和研究机构一直致力于实现这项技术。领先的是波士顿微制造(BMF)，这是一家由麻省理工学院教授于2016年共同创立的公司。BMF的microArch s240打印机是一款专为短期工业生产而设计的微型精密3D打印机，这款机型是公司以前nanoArch打印机系列的改进版本，并使用了他们专利的Projection Micro Stereolithography系统中的类似技术。据称，microArch s240可以达到2 μm至50 μm分辨率，公差为5μm至25 μm。

△microArch S240可以精确、快速地3D打印微型零件。（图片由BMF提供。）

BMF并不是领域里唯一的公司，另一个强有力的竞争者是总部位于德国的Nanoscribe。他们的Photonic Professional GT2打印机使用双光子聚合技术来创建亚微米结构，它的额定最小XY特征尺寸为200 nm，垂直分辨率为1500 nm。可用于微光学、微机械、生物医学工程和纳米结构等多个领域。

△Photonic Professional GT2 3D打印机

来自以色列的Nanofabrica还通过Tera 250 3D打印机提供微尺度分辨率。Tera 250使用带有先进光学元件的半导体光刻技术，将1微米的分辨率和相对较大的构建体积结合。Nanofabrica利用创新的微自适投影技术（Micro Adaptive Projection technology）实现超细特性、细节、准确性和精度。自从2021年4月被Nano Dimension收购之后，预计这家公司会进一步发挥特点，并向电子电路领域制造发展。

△NanofabricaTera 250

2021年6月，意大利增材制造服务公司IDMLab推出了新型微型LCD 3D打印机PicoFAB。主要针对研究实验室、教育机构和材料制造商，这种基于树脂的微型系统旨在充当材料试验台，使用户能够在紧凑的包装中试用极少量的光聚合物树脂。PicoFAB的构建体积仅为 24 x 24 x 50 毫米，只需10毫升树脂即可开始3D打印零部件。

△PicoFAB 3D打印机 [来源：IDM实验室]

微型3D打印还对建筑领域有所助力，3D打印机制造商Microlight3D是欧洲FET-Open计划未来新兴技术的获胜者，它的微结构混凝土可以让建筑物自然冷却。这家公司希望利用双光子聚合技术减少混凝土施工对环境的影响，并提供更环保的替代方案，公司的Altraspin机器可以创建小于0.2微米宽的物体。

△微结构将用作混凝土模具（照片来源：Microlight3D）

微型3D打印机是如何工作的？

微型3D打印还是一个比较年轻的领域，许多技术还在探索阶段，因此具有许多采取截然不同的方法来实现微尺度分辨率的公司。以BMF的microArch 3D打印机系列为例，机器利用光聚合，使用陶瓷或光聚合物树脂作为原料。BMF还与特种化学品公司巴斯夫合作生产特殊的BMF RG光聚合物，适合需要几何复杂性的工业或医疗生产需求。

△微型3D打印技术在微流体领域的应用

microArch打印机的3D打印过程称为微立体光刻，基于数字光处理(DLP) 技术。使用精确的闪光对树脂进行光聚合，DLP一次固化整个层，是大批量零件生产的更快、更合适的选择。为了实现微尺度分辨率，microArch打印机使用特殊镜头将光线聚焦到更小的点上，以及使用高精度控制构建平台的特殊软件和控制系统。

微型3D打印机的潜力

目前，微型3D打印市场仍然不算成熟。随着这项技术的更新，南极熊期待更多工业或商业应用的出现。微型3D打印最引人注目的用例之一是作为高精度注塑成型的替代品。根据BMF的说法，微尺度注塑成型的模具生产成本非常高，变相降低了设计自由度，而3D打印或许有可能显著降低这些成本。

△Nanoscribe打印的一系列纳米级样品

如果微型3D打印与生物打印相结合，这是另一个具有巨大潜力的领域。2021年5月，Nanoscribe被CELLINK收购，将双光子聚合（2PP）技术带入生物3D打印领域。两家公司已开展血管微环境生物打印，有助于细胞研究、微针和微孔膜等产品的开发。南极熊认为，无论是用于电子、机械设备，还是医学研究，微型3D打印有着很大的发展空间，让我们拭目以待！

中国的微纳级3D打印

中国也有一家微纳级的超高精度3D打印机厂商，其客户已经全球25个国家的顶级大学、研究所、企业。但目前为止，很多人都不知道高达2微米的打印精度，到底可以用在什么地方。2021年4月初，南极熊实地探访了位于深圳的摩方精密，这是一家致力于提供超高精密光固化3D打印系统和解决方案的公司，他们所开发的微纳米级精度3D打印机，以满足工业市场对高精密增材制造的需求，填补了国内外市场的空白。

△深圳的摩方精密

摩方的PμSL超高精密3D打印机拥有全球领先的超高打印精度（2μm/10μm/25μm），高精密的加工公差控制能力（±10μm/±25μm/±50μm），配置韧性树脂、硬性树脂、耐高温树脂、生物树脂等打印材料，使得摩方3D打印系统可直接成型精密塑料结构件和功能器件，无需再经过抛光、打磨、喷涂等后处理工艺。

参考阅读：

1. BMF Makes Micro 3D Printing a Reality
2. 3D Printing in the Micro Scale
3. It's a small world: Nanofabrica talks opportunities formicro 3D printing
4. Nano Dimension花5490万美元收购微型机械3D打印领导者NanoFabrica
5. IDM Lab Releases The PicoFAB 3D Printer
6. IDM LAB LAUNCHES ITS MICROSCALE PICOFAB 3D PRINTER –TECHNICAL SPECIFICATIONS AND PRICING
7. PicoFAB
8. Micro-Printing Technology Allows For Naturally CooledConcrete to Combat Heatwaves
9. Microlight3D Awarded Funds to Enable Radiative CoolingConcrete with 3D Printing
10. 5000万欧元：微纳3D打印厂商Nanoscribe被CELLINK 收购