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微納3D打印能制造復雜、微細器件

2018-01-12

傳統制造工藝在制造微接插件、內窺鏡用微鏡片等高度復雜、微細、結構精密的小器件時,面臨諸多棘手挑戰。這些器件都需要高端精密制造工藝,來創造精確的表面面型和復雜的內部結構,成本高昂。而現在,先進的微納3D打印技術能逾越這些障礙,使復雜部件的定制化更加容易,生產速度也更快。這也響應了精密制造在其他領域逐步增長的需要。

 

市場調研機構Technavio預計,全球3D打印服務市場在2021年前將以每年44%的速度增長。對精密制造需求的擴大,極大促進了3D打印服務的增長。例如,根據Transparency Market Research的預計,全球眼鏡市場2018年的年復合增長率(CAGR)將達3.7%,估值達1300億美元。

 

 

許多制造難題如今可以在這一新興且低成本的生產方式中找到答案,微納3D打印器件的市場潛力可見一斑。”深圳摩方材料科技有限公司資深科學家、顧問委員會成員William Plummer博士評價道。摩方材料在美國波士頓及中國深圳同步運營,是一家專注于制造微納3D打印系統及材料的企業,也為使用其設備的公司提供定制化3D打印服務。

 

一些知名的3D打印初創企業,如Desktop Metal、Carbon,在市場中獲得了諸多關注,這些企業大多聚焦于大幅面的制造。但隨著3D打印技術快速發展,打印更精密、微細器件的能力進一步提高。

 

微納3D打印能制造復雜、精細的器件,這是3D打印技術優勢的最佳體現,或將顛覆精密器件制造業。今天,摩方材料等企業將這一技術帶到了新的高度,打印設備的精度能達微米/納米級別,并且有能力進行大產量制造。Plummer博士稱,摩方的優勢在于其設備精度極高,并且對材料和工藝有獨一無二的選擇:“摩方的精密3D打印技術能制造小型機械部件,如微型彈簧、特殊形狀的電子接插件,甚至能制造心血管支架這樣極為復雜、要求極高的醫療器件。”

 

技術原理

很少有像3D打印這樣技術的發展,尤其是微納3D打印,能如此激發公眾的無窮想象,啟發工程和藝術創造。3D打印的第一步是在數碼文件中創造一個實體三維模型。這并非一項新技術,但目前的進展使其能以更實用的方式,創造樣品原型、一次性器件,以及傳統鑄模和CNC(電腦數控)機床制造中成本過高、難以實現的項目。

 

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”,原理很像微視頻顯示設備,系列圖像會通過縮影鏡頭連續投影到需固化的光敏樹脂上??s小的圖像投聚在光敏樹脂上,紫外光會引起樹脂的固化或硬化的過程,這一過程也被稱為光致交聯。只有光照射的地方會固化、變硬,形成預設的3D形狀。所投影的圖案由三維圖像決定,是電腦生成的三維模型的橫截面。輔之獨特的后處理技術,摩方能制造各種產品,包括陶瓷和光學鏡片。

 

微納3D打印和“傳統”3D打印的主要區別在于,微納3D打印能達到“傳統”3D打印無法達到的高精度。微納3D打印的精度能達到細觀、微觀和納觀(即十億分之一米)級別。這一特性使得微納尺度3D打印能批量復制微小結構,制造真正處于微觀級別的器件,實現一般的3D打印無法企及的細節和精度。

 

近年來,3D打印行業發展迅速,如今消費者花200~500美元就能購買一臺3D打印機。但這些低端打印機和復雜的微納3D打印設備有很大的區別,而像摩方材料這種級別的公司可以通過制造和運用微納尺度3D打印設備,生產出不同種類的精密器件。

 

 

精密制造

2016年5月,摩方材料進入高精度微納3D打印市場。摩方源于麻省理工學院(MIT)納米光電及3D納米生產技術實驗室,公司的技術基于2014和2015年被《麻省理工科技評論》(MIT Technology Review)列入十大突破性技術的“微型3D打印”和“納米架構復合材料”。(摩方創始人兼首席科學家方絢萊所在的微納3D打印技術團隊在2015年被《麻省理工科技評論》認可為該領域最前沿的團隊之一。)

 

摩方材料在專注于制造微小精密器件的同時,能達到高于醫療器材等行業所需的產量水平。“摩方的3D打印系統能實現很高的產量,因為我們制造的器件體積非常小,”公司創始人兼CEO賀曉寧說。微小的體積意味著一次能同時打印大量器件。例如,摩方的3D打印設備能在一小時內制造幾百個直徑約為1毫米的鏡片,即產量一年可達幾十萬件,能滿足內窺鏡制造商的數量需求。此外,同批制造的器件中,每個部件都可以進行定制,無需考慮總制造數量。這樣的產能可以滿足需要小型精密器件的工業客戶對數量的需求。

 

創新技術

憑借其創新技術,摩方團隊將光學行業設為目標領域。光學眼鏡行業利潤雄厚,僅中國一年的市場總額就達120億美元。但眼鏡佩戴者大多數沒有完全根據自己的需要和參數去定制鏡片,配鏡通常只能基于標準處方。“復雜鏡片,如自由曲面鏡片,價格非常高,”北京同仁醫院眼科中心轉化醫學部副主任甄毅說,“例如,一副(傳統工藝制造的)定制自由曲面鏡片的零售價可高達1300美元。”

 

 “人眼是復雜器官,是一個不完美的光學系統,每只眼睛都不同,”甄毅說,“但傳統鏡片是在工廠大批量鑄模制造的半加工毛坯車房片上制成的。定制化自由曲面鏡片有望讓眼鏡佩戴者免受傳統大批量制造的眼鏡做出光學妥協。然而用傳統方法定制自由曲面鏡片需要使用價格高昂的機器……因此大多數人買不起。換句話說,目前大多數的患者無法獲得理想的視力矯正,視力也就越來越糟。”

 

北京同仁醫院是中國最大的眼科醫院,每年接待約一百萬患者。北京同仁醫院眼科專家王寧利教授及其團隊和摩方材料達成合作,致力于生產低成本、定制化的自由曲面鏡片,以滿足每位患者的處方需要。目前摩方已成功設計和制造了一款復雜定制化鏡片,具有以下設計特征:

  1. 環曲面設計矯正散光,降低像散;
  2. 非球面設計矯正近視,降低鏡片邊緣厚度;
  3. 周邊離焦設計控制兒童近視進展。

 

此類自由曲面鏡片用傳統工藝很難實現、造價不菲,但摩方的技術僅用四小時就完成了制造,且成本跟普通鏡片差不多。對此,摩方資深科學家兼顧問委員會成員Mo Jalie教授評價道:“3D打印鏡片成本更低、生產速度快,也許能徹底改變視光學界特殊眼鏡的供應現狀。”

 

摩方材料的技術也有望顛覆視光學的其他領域,包括定制化矯正接觸鏡,該接觸鏡能幫助患者矯正復雜像差。此類像差一般由角膜移植、圓錐角膜(一種會逐漸變化的眼睛疾病,正常的圓形角膜會扭曲變形為類圓錐狀),或由外部損傷造成的其他情況引起。“3D打印鏡片對于眼鏡行業的意義猶如活字印刷對于出版業的意義。”王寧利教授說,“這種新技術能帶來更快、更經濟、更靈活、更準確的鏡片生產。”

 

新的制造尺度

賀曉寧稱,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。目前,心血管支架復雜的內部結構需要用激光精加工完成。而3D打印使所需結構的成型更加容易,能實現更復雜的設計,并且和傳統加工方法比,成本大大降低。

 

如今,電子接插件體積越來越小,細節也更加復雜。微納3D打印技術讓工程師們能為接插件設計高精密的復雜結構和不規則的形狀。此外,賀曉寧說,摩方材料也接到了很多其他領域的打印訂單,包括精密陶瓷器件。

 

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。和同等精密水平的傳統工藝相比,微納3D打印不僅精度更出色,成本顯著降低,生產效率更高,制造方法也更加容易。

 

全球高精密部件的市場需求龐大,利潤十分可觀。但很多時候,傳統技術完全發揮不上作用,”賀曉寧說。談及制造微器件的挑戰時,他借用了一句行話:“追求越極致,挑戰就越大。

 

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