一般來說，在製造業中，大多數創新都是圍繞生產大型 3D 打印零件的能力而發展的。然而，隨着電子、生物技術、汽車和航空航天領域對小型化設備的需求不斷增長，人們對微增材製造技術的興趣與日俱增。那麼，小零件的市場有多大呢？本期，結合Nanoscribe的業務發展經理 Jörg Smolenski的分析，3D科學谷與谷友一起來洞悉微增材製造技術的基本原理和不同類型，以及微增材製造技術有助於市場向前發展的主要優勢和需要改進的領域。
微3D打印技術
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微小世界的不可替代
微增材製造一詞通常與3D微細加工或高精度增材製造互換使用，但實際上，它們並不是確切的同義詞。通常，增材製造更多指的是工業製造環境，3D微細加工是描述所有方法的通用術語，例如在 MEMS 製造中非常普遍和廣泛使用的光刻方法（這是一個巨大的成熟市場，並且方法非常成熟）。還有許多其他 3D 微加工方法，例如用於微流體的方法、基於電子束光刻的數字方法等等。
為了說明微型增材製造技術的地位，假設在 3D 打印中，首先構建一個零件並通過點陣列進行數字化描述，其中一個點（即體素）代表一個最小打印單元。體素尺寸範圍從納米級到宏觀級。因此，微型 3D 打印過程需要使用微米或亞微米級體素，這對於微型產品的製造至關重要。因此，微型 3D 打印一詞是指製造超高精度、微小的零件，這些零件的形狀是使用微注塑工藝和其他類型的傳統製造工藝無法實現的。
根據3D科學谷，在3D打印技術的發展中有兩個不同方向的聚焦點，其中一個聚焦點是大幅面3D打印技術。另一個聚焦點是微觀方面的，即能夠製造精密、微細器件的3D打印技術。微納3D打印能製造複雜、精細的器件，這是3D打印技術優勢的體現，或將顛覆精密器件製造業。
微小的力量正在改變世界！3D科學谷曾分享過微米級3D打印公司Cytosurge的核心技術來源於蘇黎世ETH Zurich理工大學，基於其專利的FluidFM技術開發，製造和銷售創新型高精度納米技術金屬3D打印機，該技術代表流體力顯微鏡技術，並擁有許多在生命科學和生物物理學中的應用。
國內，西湖未來智造的微米級精度的三維精密製造技術，通過將金屬、陶瓷、磁性材料、聚合物等集成處理應用，彌補電子、光學領域精密加工中百納米至百微米的市場空白。
當零件以個位數微米測量到 5 微米的層厚和 2 微米的分辨率時，進入到處理微型 3D 打印過程。有趣的是，一些微增材製造工藝可以製造以納米 (nm) 為單位測量的部件，比一微米小 1,000 倍。為了更好地可視化這種級別的微製造是什麼樣的，舉例來說人們通常會記住，人類頭髮的平均寬度為 75 微米，而人類 DNA 鏈的直徑為 2.5 納米。
在小型化中，對外形尺寸的控制至關重要，微3D打印可以實現「下一個級別」的小型化。具體來說：電子、光學、半導體、醫療設備、醫療工具、微注塑、微流體、傳感器這些應用是微3D打印發揮獨特價值的領域。
譬如，高精度3D生物打印能夠為組織工程、用於細胞研究的定製支架，並適用於許多其他需要精度、速度、材料多樣性和無菌性的創新生物醫學的微環境。3D微細加工可以使生命科學研究更接近再生醫學的概念，以治療該領域的疾病。例如，波士頓大學的科學家通過雙光子聚合 (2PP) 製造的微流控芯片平台開發了一種柔軟且具有機械活性的細胞培養平台，用於在可定製的3D微環境中研究心肌組織。這種細胞培養平台允許心臟組織在3D環境中生長，並且可以在芯片垂直壁上的細胞附着位點觀察其自組裝。集成的電子傳感器測量培養的心臟細胞收縮產生的力。此外，研究人員在芯片中集成了一個機械執行器，藉助這種致動器，科學家們研究了恆定和動態機械應變對心臟組織的影響。可以期待微3D打印在組織工程、細胞生物學和再生醫學中的許多其他令人興奮的應用。
Quantum X 的集成雙光子灰度光刻 (2GL®) 及其基礎體素調諧技術能夠製造具有亞微米形狀精度和小於 5 納米 (Ra) 表面粗糙度的 2.5D 微結構。
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一般來說，我們認為 10 微米及以下是微增材製造。當然，如果所有這些都在 1-3 微米範圍內，那麼這就是 micro-AM最準確的定義了。
就像有幾種類型的 AM 工藝一樣，也有各種類型的 micro-AM 工藝，包括：熔絲沉積 (FFD)、直接墨水書寫 (DIW)、直接能量沉積 (DED)、層壓物體製造 (LOM)、電流體動力氧化還原打印 (EHDP)、粉末床熔融 (PBF)、基於光聚合的 3D 打印 (P3DP) 和激光化學氣相沉積 (LCVD)。
微3D打印技術
© 3D科學谷白皮書
基於樹脂的微型 3D 打印工藝由於其在分辨率、質量、再現性和速度方面的優勢，目前是市場上最受認可的工藝。此外，DED 和 EHDP 可以實現更高的分辨率。然而，與這些工藝相關的昂貴成本和低製造率限制了它們的應用。然而，由於分辨率有限，它們在實現小型高精度零件或結構方面仍然存在局限性。
與這些方法相比，Nanoscribe的2PP能夠製造低至100納米的最小特徵尺寸。根據研究，新型光學方法的發展導致了微增材製造工藝的進步，特別是基於光聚合的3D打印工藝。據專家介紹，使用波長較短的光源（例如 UV 光束）和具有較高 NA（數值孔徑）的物鏡可以實現更高的分辨率——這通常是 micro-AM 中最突出的挑戰之一。
與基於熱處理和層壓的其他方法相比，光學方法使相鄰體素的連接更牢固。光固化等後處理步驟也有助於提高 3D 打印部件的質量。最後，報告稱，由於加工區域和照明系統之間的非接觸方式，加工原料的激光光斑或光學圖案有助於提高穩定性和可重複性。
話雖如此，最廣為人知的微增材製造工藝包括 DLP、微立體光刻 (μSLA)、投影微立體光刻 (PμSL)、雙光子聚合（2PP 或 TPP）、基於光刻的金屬製造 (LMM)、電化學沉積和微尺度選擇性激光燒結 (μSLS)。
直接光投射 (DLP) 技術
DLP 技術通過將 DLP 與自適應光學器件的使用相結合，能夠實現可重複的微米級分辨率。與通常被稱為非常相似的 SLA 的主要區別之一是 SLA 需要使用激光來跟蹤一層，而 DLP 使用投影光源一次固化整個層。
微立體光刻 (μSLA)
同樣基於光誘導層堆疊製造，微立體光刻 (MPuSLA) 用於通過將光敏聚合物樹脂暴露於紫外激光來構建物理組件。
投影微立體光刻 (PμSL)
PμSL 是一種基於區域投影觸發光聚合的高分辨率（高達 0.6 μm）3D 打印技術，能夠製造覆蓋多個尺度和多種材料的複雜 3D 架構。基於此過程的機器通常被認為結合了 DLP 和 SLA 技術的優點。由於其可負擔性、準確性、速度以及加工聚合物、生物材料和陶瓷的能力，該工藝迅速發展。
基於光刻的金屬製造
在光敏樹脂中均勻分散後，金屬粉末隨後通過用藍光曝光選擇性聚合。3D打印的生坯部件隨後在爐中進行燒結獲得緻密的零件。
雙光子聚合（2PP 或 TPP）
這個過程通常被認為是微型 3D 打印機中精度最高的。2PP 是一種直接激光寫入方法，無需昂貴的掩膜生成和多次光刻的使用即可工作3D 和 2.5D 微結構的步驟。可以說2PP 在無掩模光刻和高精度增材製造之間發揮了全部潛力。
根據3D科學谷的市場了解，目前2PP 推進了晶圓級平面基板上零件的微製造，例如，在光纖、光子芯片和內部密封的微流體通道應用領域。
2PP需要專用的光敏樹脂，以便於處理、實現最佳分辨率和形狀精度，並為不同的應用量身定製。目前，基於雙光子聚合的高精度 3D 打印非常適合應用設計的快速原型製作，以用於生物醫學設備、微光學、微機電系統 (MEMS)、微流體設備、光子封裝（例如 PIC）、表面工程項目等。晶圓處理能力使3D微型零件的批量處理和小批量生產比以往任何時候都更容易。
電化學沉積
電化學沉積是一種罕見的不需要任何後處理的微型 3D 打印技術。該過程使用一個稱為離子尖端的小打印噴嘴，並將其浸入支持電解質浴中。調節的氣壓推動含有金屬離子的液體通過離子尖端內的微通道。在微通道的末端，含有離子的液體被釋放到打印表面上。然後將溶解的金屬離子電沉積成固體金屬原子。後者隨後成長為更大的構建塊（體素），直到零件形成。
微尺度選擇性激光燒結 (μSLS)
這種基於粉末床融合的增材製造也稱為微米級選擇性激光燒結 (SLS)，包括在基材上塗上一層金屬納米顆粒墨水，然後將其乾燥以生成均勻的納米顆粒層。此後，激光將納米顆粒燒結成所需的圖案。然後重複該過程，直到創建零件。
令人着迷的小零件
隨着新處理技術的進步，例如雙光子灰度光刻 (2GL ®) 以及市場上出現的更高功率激光與改進的硬件（例如載物台和掃描儀）的結合，微增材製造的現狀發生了變化。相比之下，其他更為傳統的增材製造技術，如 DLP、SLA 和投影微立體光刻 (PμSL) 只能製造更大的結構，然而，當涉及到高分辨率（<1 微米）3D微加工時，它們會遇到幾何限制。由於紫外光的固有直接照明，分辨率和設計幾何形狀受到限制。
根據3D科學谷的市場觀察，藉助最近推出的 Quantum X align，Nanoscribe為光子封裝提供了一種新穎的工業解決方案。通過組件級而不是芯片級的模式場匹配來減少耦合損耗。具有納米精度自動對準的高精度 3D打印推動了直接在光子芯片和光纖芯上製造微光學元件，並直接在適當位置打印自由曲面微光學元件或衍射光學元件 (DOE)，從而促進光子平台上的優化光學耦合。
Nanoscribe 專有的雙光子灰度光刻 (2GL ®) 顯着加快了用於光學應用的 2.5D 結構的高精度微加工，例如具有最高形狀精度和光學級表面（Ra ≤ 5 納米）。為了進一步擴大生產規模，Nanoscribe 已經與 EV Group 和 kdg opticomp公司一起試行了兩種可靠且經過驗證的複製策略。
與任何 3D 打印過程一樣，微型3D打印允許其用戶從設計自由中受益。光子集成、光學計算和數據通信領域的一個挑戰是推進光子組件的對齊和封裝。專門的基於硬件和軟件的3D打印解決方案可以實現高效的微光耦合。
與通過傳統製造工藝製造的相同零件相比，製造一個小零件的速度是令人着迷的。隨着小型化微型產品的進步，微3D打印適用於所有處理小型和精密零件的行業。傳統上製造小零件的成本一直很高，而微增材製造現在正在提供更便宜且易於使用的解決方案。
知之既深，行之則遠。基於全球範圍內精湛的製造業專家智囊網絡，3D科學谷為業界提供全球視角的增材與智能製造深度觀察。有關增材製造領域的更多分析，請關注3D科學谷發佈的白皮書系列。
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