3D printing la scară micro şi nano-metrică

Tehnologii

de Mircea Badut

3D printing la scară micro şi nano-metrică

În general am fost sceptic privind pătrunderea masivă a fabricaţiei aditive (3D-printing) în industrie (deşi ea ne părea mai concretă decât hype-uri actuale precum AI sau ML). Însă m-am bucurat când am înâlnit aplicări semnificative la care 3D-printing-ul se dovedeşte cea mai bună abordare (cum ar fi domeniul MEMS, despre care am mai scris în T&T), iar acum vă prezint altfel de aplicări.

Precizie submicronică

Fabricaţia aditivă are deja o anume maturitate şi îi sunt cunoscute aplicările clasice, însă iată că apar situaţii noi, şi chiar într-o direcţie în care dezvoltarea părea blocată din motive clare. Ştiam că doar cele mai avansate imprimante 3D pot depune straturi de o sutime de milimetru, aceasta fiind deci în cel mai bun caz rezoluţia dimensională a produsului. Însă, pe de altă parte, miniaturizarea constituie o presiune puternică în multe domenii, o presiune la care suntem mai toţi părtaşi. (Avem cu toţii – în buzunar/poşetă ori la încheietura mâinii – dispozitive mobile extrem de miniaturizate, care la rândul lor încorporează accelerometre, senzori giroscopici, busole, barometre, senzori optici, senzori de monitorizare fiziologică, etc.)

Cerinţa crescândă privind miniaturizarea determină specialiştii să caute idei/abordări noi, iar 3D-printing-ul se potriveşte uneori ca o mănuşă. Aşa cum este cazul dispozitivelor folosind componente optice, după cum vom vedea. Însă miniaturizarea extremă a produselor obligă şi la creşterea preciziei proceselor tehnologice. Întrucât fabricaţia aditivă convenţională nu poate satisface cerinţele de rezoluţie şi de precizie specifice fotonicii şi microopticii, se recurge la tehnici mai speciale, precum polimerizarea-cu-doi-fotoni (2PP), foto-izomerizarea sau foto-reducerea.

Primele experimente 2PP au fost realizate în 1997 de profesorul Satoshi Kawata la Universitatea din Osaka, însă de-abia recent s-a ajuns la maturitatea necesară: tehnologia 3D-printing bazată pe polimerizare fotonică poate acum aplica liberatea de concepţie şi experienţa fabricaţiei aditive la produse având rezoluţii de 100 de ori mai mari decât cele posibile la printer-ele convenţionale.

Aplicări optice

Acolo unde este nevoie de componente optice cu gabarite submilimetrice şi cu precizii de ordinul nanometrilor (fie acestea lentile, obiective, prisme, senzori foto, micro-oglinzi, opto-cuploare, chip-uri optice, etc) tehnologia 3D-printing cu 2PP se dovedeşte soluţia potrivită. De asemenea, acolo unde se doreşte ca astfel de componente să fie integrate pe acelaşi substrat cu alte componente (precum circuitele electronice sau MEMS-urile), acest 3D-printing la scară nano-metrică devine o alegere robustă.

Dacă metodele clasice de asamblare a dispozitivelor optice cu grad mare de miniaturizare presupun operaţiuni delicate de selecţie, de montaj, de aliniere, de acordare şi de fixare, noua abordare permite fabricarea de componente microscopice direct în locul în care acestea vor funcţiona, eliminându-se astfel acele operaţii, consumatoare de timp şi de resurse. (De fapt, cerinţele de asamblare nu dispar, ci sunt adresate prin procesul de configurare al imprimării 3D.) Şi iată un prim exemplu: ansamblu de lentile optice fabricate direct pe vârful unei fibre optice.

Lentile pe varf de fibra optica

  • Lentile pe vârf de fibră optică

În domeniul optoelectronicii s-au înregistrat deja cele mai concrete realizări. S-au obţinut micro-lentile construite pe chipuri fotonice, constituind optocuploare sau alte circuite optice. Precizia ridicată permisă de tehnologia imprimării 3D cu fotopolimerizare face ca micro-lentilele să aibă de la început calitatea suprafeţelor la nivelul standardelor optice. O aplicare practică a opto-cuploarelor obţinute astfel – împerechind surse de lumină şi micro-detectori optici – o constituie dispozitivele miniaturale de monitorizare a proprietăţilor fluidelor.

Luxiprint microlenses

  • Luxiprint microlenses

Tehnica 3D-printing cu 2PP se bazează pe faptul că o răşină lichidă poate fi aplicată ca micro-picătură pe un substrat (un substrat având eventual proprietăţi electronice sau optice) iar un fascicul laser orientat foarte precis va modifica starea răşinii fotosensibile polimerizând-o cu exactitate în microregiunea de focalizare. Reluarea procesului, la parametrii de stratificare stabiliţi riguros după modelul 3D realizat într-un software CAD, determină crearea pieselor 3D dorite.

Menţionam anterior posibilitatea de a construi ansambluri optice chiar pe vârful fibrei optice, cu aplicări relevante în miniaturizarea dispozitivelor pentru endoscopie, miniaturizare necesară în acele ramuri ale medicinei unde se doreşte o invaziune cât mai redusă (obţinerea de imagini intrând în organism prin orificii milimetrice sau chiar submilimetrice).

LZH

  • LZH

Ansambluri de lentile (sau chiar lentile asferice echivalente) fabricate cu precizie nanometrică se pot construi chiar peste senzori optici de diverse spectre, cu aplicări în medicină, în biologie, în ecologie, în alimentaţie, în ştiinţa materialelor, în securitate, etc. Şi dacă tot am menţionat lentilele asferice, trebuie observat că tehnologia 3D-printing – spre deosebire de tehnologiile clasice din optică (care presupun prelucrări substractive cu axe de simetrie) – îngăduie conceperea de forme libere (fără axe), ceea ce deschide calea unor aplicări neaşteptate, fie că este vorba de componente optice micronice refractive, reflective sau difractive.

Nanoscribe

  • Nanoscribe

Şi încheiem cu alte aplicări vizate de dispozitivele (optice) obţinute prin imprimare 3D cu polimerizare fotonică: proceduri minim-invazive pentru diagnosticare/diagnoză; adjuvante imagistice în intervenţii chirurgicale; terapie prin transportarea tratamentelor biochimice la celulele bolnave; monitorizarea sănătăţii; implanturi neuronale (precum interfaţa neuronală realizată recent la Universitatea din Boston). Şi altele, despre care probabil că vom auzi tot mai mult.


Accept cookie

www.ttonline.ro utilizează fişiere de tip cookie pentru a personaliza și îmbunătăți experiența ta pe Website-ul nostru.

Te informăm că ne-am actualizat politicile pentru a integra în acestea și în activitatea curentă a www.ttonline.ro cele mai recente modificări propuse de Regulamentul (UE) 2016/679 privind protecția persoanelor fizice în ceea ce privește prelucrarea datelor cu caracter personal și privind libera
circulație a acestor date. Înainte de a continua navigarea pe Website-ul nostru, te rugăm să aloci timpul necesar pentru a citi și înțelege conținutul Politicii de Cookie.

Prin continuarea navigării pe Website-ul nostru confirmi acceptarea utilizării fişierelor de tip cookie conform Politicii de Cookie. Îți mulțumim pentru acest accept și nu uita totuși că poți modifica în orice moment setările acestor fişiere cookie urmând instrucțiunile din Politica de Cookie.