微型3D打印–終極指南

魔猴君  知識堂   317天前

電子、生物技術、汽車和航空航天領域對微型設備的需求激增，使人們對微型增材制造技術的發展越來越感興趣。這種3D打印方法能以更快的速度和更低的成本生產出傳統制造方法無法生產的微小零部件。在內部自行3D打印微型部件的制造商不會受到當今供應鏈中斷的影響。

微型3D打印部件展示了Fabrica Group的Fabrica 2.0 Machine 3D打印機的功能（來源：Fabrica Group）

隨著全球邁向5G帶寬，這些高頻和短波長意味著微小的天線和結構；隨著微型半導體在我們身邊的產品中占據一席之地，對微型熱交換器的需求也在增長；隨著醫療越來越針對病人，對制造個性化醫療設備和植入物（如支架）的需求也在增長。

盡管目前主要用于研究和原型設計，但微米級快速成型制造技術在終端應用領域大有可為，從可穿戴和嵌入式傳感器到印刷電路板，再到活細胞3D打印，不一而足。它適用于各行各業，以下是目前的一些應用，更多詳情請參見相關章節：誰在使用微型3D打印？

微型3D打印的應用：

電氣元件

微芯片元件

微流體裝置

藥物輸送微針

血管支架

微型模具

光學和光子學機電零件

微機電系統（MEMS）

微光機電系統（MOEMS）

微光學電子系統（MOES）

雖然傳統制造技術（如微注塑、微加工和蝕刻）可以生產精密的微小零件，但這些工藝復雜且成本高昂（特別是對于原型、單件或小批量產品），而且能夠完成這些工作的公司并不多。微米尺度的快速成型制造為傳統制造提供了一種替代方案，其高分辨率和高精度零件的生產量甚至可達數十萬件。如果您沒有能力購買自己的機器，甚至還可以按需提供微型3D打印服務（如下圖所示）。

讓我們來看看微型3D打印的前沿技術、用途、機器和服務。

一、微型3D打印技術的基礎知識

3D MicroPrint的金屬3D縮微打印（來源：3D MicroPrint）

為了了解我們這里所說的微小類型，用于珠寶或醫療3D打印的市售專業3D打印機（如RapidShape I100+或Formlabs Form 3B）可以達到25-75微米（μm）左右的分辨率，但微型3D打印的分辨率要小得多。

微米級快速成型制造通常是指生產以個位數微米為單位的零件，最小層厚為5微米，分辨率為2微米。有些技術甚至可以打印出以納米（nm）為單位的零件，納米比微米小1000倍。作為參考，人類頭發的平均寬度為75微米，人類DNA鏈的直徑為2.5納米。

如今，這項技術已廣泛應用于豪華手表設計、航空航天、醫療技術等領域。

大多數微型3D打印是通過樹脂打印機完成的，更確切地說，是通過光聚合反應完成的。不過，有些公司已經開始超越聚合物，進入金屬領域，包括鋼、銅和金。讓我們來看看微添加制造技術的五大類。

Boston Micro Fabrication的3D打印零件（來源：BMF）

1、微立體光刻(μSLA)

該工藝屬于還原聚合工藝。它涉及將感光材料（液體樹脂）暴露在紫外線激光下。一般過程與大多數商業樹脂打印機相同：將樹脂倒入樹脂槽中，將構建平臺放入樹脂中，激光逐層繪制3D零件的橫截面，同時將平臺放入樹脂中。室。不同之處在于專用樹脂、先進的激光器和附加的透鏡，它們能夠產生幾乎令人難以置信的小光點。

2、投影微立體光刻(PμSL)

這種增材制造技術因其低成本、準確性、速度以及可使用的材料范圍（包括聚合物、生物材料和陶瓷）而不斷發展。它在從微流體和組織工程到微光學和生物醫學微型設備的應用中顯示出了潛力。

PμSL工藝與μSLA類似，不同之處在于PμSL使用投影儀發出的紫外光，而不是激光。它與您在Carbon等公司的3D打印機中看到的數字光處理(DLP)樹脂3D打印技術非常相似。該技術允許使用微米級分辨率的紫外光閃光對整個液體聚合物層進行快速光聚合，因此速度明顯更快。

這座塔中的每個香檳槽高400微米，由Microlight3D用TPP打印（來源：Microlight3D）

3、雙光子聚合（2PP或TPP）

該技術已被證明可提供微型3D打印機中最高的精度。它被用于有前途的醫療創新，包括組織工程和醫療植入物，以及工業應用，包括微機械。但技術和材料仍然非常昂貴，而且打印機的速度可能比其他技術慢。

在此方法中，使用脈沖飛秒激光在特殊光敏樹脂槽的深處描繪3D圖案。我們不會在這里深入探討涉及吸收和生成光子的科學雜草，但要知道該技術可實現小于1μm的分辨率，這被認為是納米制造技術。

4、基于光刻的金屬制造(LMM)

這種金屬3D打印方法使用一些相同的光聚合原理，可以為手術工具和微機械零件等應用創建微型金屬零件。在LMM中，金屬粉末均勻分散在光敏樹脂中，然后通過藍光曝光選擇性聚合。打印后，“綠色”部件的聚合物成分被去除，留下全金屬“棕色”部件，并在熔爐中通過燒結過程完成。原料包括不銹鋼、鈦、鎢、黃銅、銅、銀和金。

5、電化學沉積

處于微型金屬3D打印技術最前沿的是瑞士公司Exaddon，該公司開發了自己的金屬微型3D打印工藝，不需要任何后處理。在此過程中，打印噴嘴將含有金屬離子的液體通過微通道輸送到打印表面上。這些離子溶解成固體金屬原子，這些原子生長成更大的構建塊（體素），直到物體完成。

3D MicroPrint金屬3D打印零件（來源：3D MicroPrint）

6、微選擇性激光燒結(μSLS)

這種基于粉末床熔融的增材制造本質上是小規模的選擇性激光燒結（SLS），通常稱為微激光燒結。雖然SLS通常指的是塑料工藝，但這里μSLS通常指的是金屬激光燒結工藝。μSLS可以生產分辨率低于5μm且吞吐量大于60 mm 3/小時的真正3D金屬零件。

在μSLS中，將一層金屬納米顆粒墨水涂覆到基材上，然后干燥以產生均勻的納米顆粒層。接下來，使用數字微鏡陣列圖案化的激光將納米顆粒加熱并燒結成所需的圖案。然后重復這組步驟以在μSLS系統中構建3D零件的每一層。

二、微型3D打印的優點和缺點

Boston Micro Fabrication的微型3D打印零件（來源：BMF）

優點

1、與傳統制造相比速度更快。使用微注塑成型或微機械加工的傳統制造工藝非常昂貴且耗時，因為它需要開發模具。從這個意義上講，微型3D打印是一種經濟高效的解決方案，適用于數千個甚至數十萬個零件的應用。

2、微型3D打印是原型和大量最終使用零件的低成本選擇。

3、設計可能性更大。與傳統制造相比，微型3D打印能夠生產出更復雜的設計，例如，通過打印包括晶格填充在內的復雜幾何形狀，生產出重量更輕的零件。

缺點

1、質量成本高。很難列出這種潛在有用的新技術的許多負面因素。盡管如此，目前微型3D打印的一個主要缺點是，高質量和功能性的應用在技術和材料方面都很昂貴，盡管仍然低于微機械加工。

2、目前，材料有些有限。雖然一些公司正在開發使用金屬和其他材料的微型3D打印工藝，但目前該技術主要用于專用聚合物。

三、現在誰在使用微型3D打印？

Admat Sasu創始人兼首席執行官Jemmel Belkacem打印的微型3D打印模型（來源：Jemmel Belkacem）

如上所述，絕大多數微型3D打印機目前都位于大學實驗室和研究中心，用于制造各種用于原型和實驗的零件。有關他們工作的消息并不常被傳出，但一旦傳出，卻可能令人瞠目結舌。

事實上，微型增材制造有如此多的創新應用正在開發中，該技術似乎正處于重大突破的邊緣。下面我們將介紹一些微型3D打印的最新、最有趣的應用。

1、用于疫苗分發的3D打印微針貼片

Carbon聯合創始人Joseph DeSimone的3D打印微針貼片（來源：北卡羅來納大學教堂山分校）

斯坦福大學和北卡羅來納大學教堂山分校的科學家于2021年9月創建了一種3D打印的微針貼片，可以讓人們無痛地自行注射疫苗。

根據發表在《美國國家科學院院刊》上的一項在動物身上進行的研究，發現這種針貼的保護作用比用針刺進手臂肌肉的典型疫苗注射強10倍。

微針貼片的增材制造技術來自3D打印機制造商Carbon。盡管微針貼片已經研究了數十年，但最新一組科學家的工作克服了過去的一些挑戰，特別是輕松定制貼片的能力以及打印保持清晰度的貼片的能力。

2、3D打印血管支架

Boston Micro Fabrication的3D打印血管支架（來源：BMF）

植入冠狀動脈以改善心臟血流的心血管支架有多種尺寸，但3D打印支架可以專門匹配每位患者的獨特需求。上圖所示的支架是用Boston Micro Fabrication的MicroArch P140打印的，尺寸約為15.4 x 3.4毫米。

盡管大部分仍處于實驗階段，但3D打印支架的能力預計將改善尺寸選擇、保留基本解剖結構，并使直徑和形狀能夠滿足患者個體的需求。該過程還可以在外科醫生的指導下現場制作單個支架，從而減少庫存并節省資金。

去年，澳大利亞國家科學機構CSIRO的研究人員推出了3D打印的定制支架，用于治療狹窄或阻塞的動脈。這些用于外周動脈疾病患者的自膨脹式鎳鈦諾支架可以縮短康復時間。

3、3D打印復雜的消費品

通過3D MicroPrint采用微型激光燒結制造的表盤和冠輪（來源：3D MicroPrint）

說到微機械，人們首先想到的可能是精美的手表，事實上，微型3D打印在手表和珠寶制造中占有一席之地。從純粹的裝飾設計到使制造商能夠在其作品中嵌入微型水印，微型3D打印在鐘表市場上的追隨者越來越多，特別是對于定制產品和不再可用的制造備件而言。

4、半導體缺陷修復

(來源:Pall Corp.)

提高半導體芯片生產的產量是微芯片制造商最持久的目標之一，但損壞的芯片或模具會增加生產過程中的故障率。據微型3D打印機制造商Exaddon稱，通過金屬微型3D打印，可以直接在模具上修復半導體缺陷。高質量純金屬可以以亞微米精度直接沉積到所需位置。

5、快速3D打印微流體研究設備

對于研究微尺度液體和氣體的物理和化學性質的研究人員來說，微流體裝置的使用很常見。這些設備還可用于根據蛋白質表達對細胞進行分類，這是多倫多大學凱利實驗室正在進行的研究。但該實驗室的新功能是微型3D打印機，它使研究人員能夠打印自己的微流體設備，而與從供應商處訂購設備相比，成本和時間僅為一小部分。事實上，擁有一臺打印機使實驗室能夠在20分鐘內打印出以前需要三天才能使用光刻技術在外部設備訂購的內容。

將這些項目添加到如上所述的新材料開發中，以及納米級打印方面的突破，很明顯，微型3D打印有可能徹底改變從醫學到增材制造本身的領域。

四、微型3D打印機

編譯整理：ALL3DP