微納米3D列印技術:開啓精密製造之門

3D打印有兩個不同的發展方向。一個是宏觀方面的,即大尺寸的3D打印技術;另一個是微觀方面的,即能夠製造精密結構的3D打印技術。這種技術稱為微納米尺度3D打印。在精密結構的3D打印技術領域,深圳摩方材料是該領域的領先者。

摩方材料專有的技術稱為“PμLSE”(Projection Micro Litho Stereo Exposure),即“面投影微立體光刻”,通過紫外光固化樹脂來成型。這種3D打印技術能製造小型機械部件,如微型彈簧、特殊形狀的電子接插件,甚至能製造心血管支架這樣極為複雜的醫療器件。

微納米3D打印技術:開啟精密製造之門

Δ微納米3D打印

微納米尺度3D打印是目前全球最前沿的先進製造領域之一。複雜三維微納結構在微納機電系統、精密光學、生物醫療、組織工程、新材料、新能源、高清顯示、微流控器件、微納光學器件、微納傳感器、微納電子、生物芯片、光電子和印刷電子等領域有著巨大的產業需求。

摩方簡介

提到摩方材料,用一句話評論就是,這是一家微納尺度3D打印及顛覆性精密加工能力解決方案提供商。目前,在摩方擔任資深科學家的有公司聯合創始人兼麻省理工學院終身教授方絢萊教授、美國工程院院士、光學專家William Plummer教授,及被譽為“全球眼鏡學之父”的MoJalie教授。

微納米3D打印技術:開啟精密製造之門

摩方的微納米級3D打印技術被《麻省理工科技評論》列為2015年全球10大顛覆性技術突破第二名,也是該領域公認的全球4支前沿團隊中唯一的華人團隊。

微納米3D打印技術:開啟精密製造之門

Δ微納米尺度3D打印

微納製造,精密必現

大家都知道,傳統的切削加工,包括機械、激光、超聲切削,屬於減材製造。減材製造最難以實現的部分之一體現在裝配上。尤其是在微尺度結構領域,增材製造去除了組裝的難度,甚至能夠取代裝配的步驟。在打印精度方面,傳統加工製造很難達到比較高的精度,而微觀的打印能夠輕易地達到10微米以下。

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Δ三維點陣模型

微納米3D打印技術:開啟精密製造之門

Δ微型彈簧

微納米3D打印技術:開啟精密製造之門

Δ超高XY打印精度

3D打印的潛在優勢,體現在批量的個性化製造。在宏觀領域,相對比較難實現批量製造;而微結構的3D打印領域,為大規模個性化製造提供了可能性。

方絢萊教授為我們舉了一個例子:第一代的集成電路只有4個單元,經過幾十年的發展,如今的集成電路有幾千萬個單元,這是隨著科技進步精細度不斷提升的結果。又比如,手機上的相機成本可以做到幾美元一個,而傳統的單方相機還是幾千美元。3D打印的微觀精密結構就在這些領域體現出了它的價值。

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Δ微縮藝術品:唐代佛像

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Δ微縮藝術品:無錫玉飛鳳

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Δ生物支架

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Δ三維點陣模型

不是競爭對手,而是重要補充

我們知道德國公司Nanoscribe,與摩方的技術路線類似,2017年收入已達幾千萬美元,銷售了150套設備,主要來自於3D打印機銷售及微製造服務。Nanoscibe的技術路線雖然與摩方相似,但針對的是不同的用戶。

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ΔNanoscribe雙光子3D打印(圖片來源:Nanoscribe)

在目前階段,雖然Nanoscibe已經賣出了150套設備,但是在市場上遠遠沒有被滿足。在摩方看來,工業領域市場還有更大的需求,有著非常廣闊的應用空間。摩方真正的目標並不是取代Nanoscibe,而是要升級傳統生產加工設備,類似傳統注塑等方式。因此需要更多的用戶來理解、合作,擴大認知程度。只有3D打印真正融入生產鏈,這個市場才能被培育起來。

據瞭解,深圳摩方材料科技有限公司自主研發的3D打印系統已被美國麻省理工學院(M.I.T)、阿聯酋MasdarInstitute、南京大學、西安交通大學、中國科學院納米所、香港城市大學等世界頂級科研機構使用。

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Δ摩方材料3D打印設備nanoArchP140,採用PμLSE(面投影微立體光刻)技術,用於實現高精度多材料微納尺度3D打印的設備

前景無限的3D打印高精度眼鏡片

中國框架鏡片市場年均銷售額600億元,其中鏡片市場180億元(相比之下,整個中國3D打印市場還達不到100億元)在整個鏡片行業中技術含量較高的鏡片設計、驅動控制軟件、模具加工、合成高折射樹脂材料等環節,均被美國、歐洲、日本等境外公司掌控。3D打印鏡片,將是一個重大的技術應用突破。

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傳統的眼鏡片,均是以25度為單位。即100度,125度,150度……然而,人眼是複雜器官,每隻眼睛都不同。據此,摩方提出以5度進階的高精度、且可個性定製化生產的微納3D打印新型鏡片,為公眾帶來更健康、更符合人體需求的定製化鏡片。

5度為基準的驗光使患者有更精確的鏡片選擇,使眼睛處於放鬆狀態。大量使用者日常佩戴後,從清晰度及舒適度角度,均有大幅提高。

3D打印鏡片對於眼鏡行業的意義猶如活字印刷對於出版業的意義,這種新技術能帶來更快、更經濟、更靈活、更準確的鏡片生產。我們相信這種技術能夠讓視力障礙患者獲得更舒適、光明的未來。

獨特的3D打印材料

我們曾經介紹過方絢萊教授研發出受熱收縮的3D打印超材料。方絢萊教授告訴我們,除了這種受熱收縮的超材料,最近Nature雜誌刊登了一項新的研發成果:磁性機器人。利用磁場驅動的機器人能夠在很短的時間裡改變其構型,按照預見設計好的方式進行形變。這種快速響應、利用磁場驅動的特性,只有在微觀條件下才能實現,在宏觀領域無法找到這樣的例子。只有尺寸做到足夠小,反應速度才能提升,對外場的響應形變才能更明顯。

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Δ負熱膨脹多材料樣件

未來:更多應用

在其它領域,摩方還處於更早期的階段,但是我們已經看到了無限前景。微納3D打印能實現的精密器件數不勝數,例如心血管支架、內窺鏡、特定的電子接插件等。這些領域與國內的產業鏈結合,還需要一定時間。

微納米3D打印技術:開啟精密製造之門

Δ生物支架

微納米3D打印技術:開啟精密製造之門

微納米3D打印技術:開啟精密製造之門

Δ微納3D打印微流控樣件

和所有新興技術一樣,微納3D打印正變得更加精密、功能更強大、成本更低。當然新的技術出現時,也會面對一定的挑戰。借用一句行話:“追求越極致,挑戰就越大”。我們相信在未來微納米尺度3D打印能夠在更多領域發揮出更大的價值。


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