微纳3d立体金属拼图技巧3D打印技术应用:AFM探针

《》讯/当“岂止于大”变成一句ロ号大尺寸的3D打印也层出不穷,然而当人类将目光从宏伟与巨大中收回来时发现微观世界中其实隐藏着更多的信息,好在科学家们已經在纳米尺度上对3D打印也有了突破性的研究并且许多科研机构已经将纳米3D打印技术作为重点研究项目。(1纳米=0.000001毫米人类的头发一般大概在5纳米之间)

皇家墨尔本理工大学拥有世界首台纳米级3D打印机 

据悉,澳大利亚皇家墨尔本理工大学发布的这款研究设备价值高达3000万美元该大学称之为“世界第一部”纳米级快速3D打印机。

其设备区域面积达1200平方米3D纳米级打印机数秒内能制作出几千种模型结构,每种结构呮有人类头发那么细

MNRF主管James Friend 称,有10支研究团队将会对该此新设备展开一系列项目研究 Friend同时还是电气及计算机工程研究所的高级研究员,怹认为:“该设备就是为了让研究人员能在纳米层级的界面上能尽可能发挥想象来研发新技术。”

Nanoscibe已有了商业化3D微型打印机:最小可达30納米

德国创业公司Nanoscibe发布了一款3D微型打印机利用近红外激光来打印超小结构,最小可达打印30纳米这台设备使用红外激光束,通过三维移動凝结光敏材料形成想要的形状。

这种叠加制造系统速度远远快于目前技术水平,它可以用来打印医疗器械部件电子机械系统,机器人模型(小到可以放在针头上!)是第一款商业化的纳米级3D打印机。

韩国科学家开发出纳米级3d打印笔hyper

韩国高丽大学的seongpil hwang以及他领导的研究团队制造出了这款的新设备

“据我们所知,我们的水凝胶3d打印笔是一种首创”hwang介绍这台设备时说。“不过我们还是受到三种技术嘚启发:美国西北大学chad mikin开发的蘸笔光刻(dip-pen lithography)技术;英国warwick大学patrick unwin开发的纳米吸量管(nanopipettes);以及美国哈佛大学jennifer

这是第一款在纳米尺度工作的3d打印筆。笔尖有一个微观的水凝胶金字塔其最尖端被浸泡在电化学反应驱动的电解液里。据了解它的工作原理是水凝胶的尖端和超微电极の间形成一个纳米级的接触面。有一个纳米定位系统来确保这款3d打印笔在应用时的精度并以规范在进行电镀时的法拉第吸附反应。

这种納米级的3d打印笔可以创建尺寸小于100纳米的3d结构hwang和他的团队在测试时用这台设备成功地将十分细微的铂金沉积到了黄金电极上。

通过水凝膠笔生成的纳米级铂金形状

美国橡树岭国家实验室使纳米3D打印更精确可控

美国橡树岭国家实验室(ORNL)与田纳西大学、Graz技术大学进行合作開发出了一种基于仿真的强大工艺,用来改善FEBID(聚焦电子束诱导沉积技术)技术可帮助用户控制,监视并最终提供FEBID纳米打印精度。

FEBID通過使用一个扫描式电子显微镜把电子束缩小至纳米级把气态分子转变成微细固体沉积物表面上的一种增材制造技术,也是目前唯一能制慥出高保真3D纳米结构的技术

在进行时,研究人员只能依靠不断试错手动调整生成参数,以生成所需的形状

新工艺引入了3D仿真技术来指导电子束,复制尺度在10纳米到1微米之间的复杂晶格和网格这种模式会跟踪电子散射路径以及二次电子的释放,来预测材料表面的沉积圖案以及可视化实验的最终结构。

美国高校研发纳米晶体油墨用于3D打印晶体管

晶体管是电子产品中最基本的构建单元,但制造晶体管卻高度复杂需要高温、高真空的设备。

美国宾夕法尼亚大学(University of Pennsylvania)的工程师在该校工程和应用科学学院 Cherie Kagan教授的带领下已经找到了一种制造新方法:将一种液体纳米晶体以“墨水”的形式用3D打印机顺序沉积其部件

据悉,Kagan的团队总共开发出了一组四种油墨分别是:一种导体(银)、一种绝缘体(氧化铝)、一种半导体 (硒化镉),以及一种结合了掺杂剂的导体(银和铟的混合物)科学家们可以通过向晶体管的半导体层掺杂杂质来控制装置传送正或负的电荷。

科学家借助3D打印将优质纳米3d立体金属拼图技巧放大至宏观尺度 

弗吉尼亚理工大学(Virginia Tech)机械工程助理教授Xiaoyu Zheng领导的一个研究团队实现一种用3D打印机成功地按比例增大纳米结构材料的方法

他们制造出轻而有强度的高弹性3d立体金属拼图技巧纳米结构,并且将其成功按比例放大至数厘米

据悉,这些由分层3D建筑布置和纳米级空心管组成的多尺度3d立体金属拼图技巧材料嘚弹性比传统的轻3d立体金属拼图技巧和泡沫陶瓷高出4倍此外,在纳米材料里这些多层递阶结构的表面积不仅放大了材料的光学和电学性能,还可以到处收集光子能——除了在像光伏板这样的顶面上收集还能在晶格结构内部收集。

研究人员借此能模仿更广泛的天然材料例如,许多骨结构是由从纳米级到宏观尺度的多层次3D结构组成的而研究人员迄今都无法完全复制或控制这些3D结构。任何需要坚硬、有強度、轻而有韧性的材料的领域也都应该能从这种3D打印方法中受益

德国科学家直接用3D打印纳米级AFM探针

原子力显微镜(AFM)使科学家能够在原子水平上研究表面。基本原理是使用悬臂上的一个探针来“感受”样本的形态这种探针设计非常独特——或者非常长,或者形状很特殊因此制造成本非常高。

现在德国卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)的一个研究小组开发出了一种新技术,该技术使用基于双光子聚合的3D直接噭光写入来制造定制的AFM探针

双光子聚合是一种3D打印技术,可以实现分辨率非常出色的构建效果它使用一种强心红外飞秒激光脉冲来激發可用紫外线光固化的光阻剂材料。这种材料可促进双光子吸附从而引发聚合反应。在这种方式中自由设计的组件可以在预计的地方被精确的3D打印,包括像悬臂上的AFM探针这样微小的物体

据该团队介绍,小探针的半径已经小到25纳米了这大约是人类一根头发宽度的三千汾之一,任意形状的探针都可以在传统的微机械悬臂梁上使用

艺术家用3D打印超小纳米雕塑

这批比人类头发丝还要细小的雕塑耗费了艺术镓近十个月的时间去设计、雕刻和绘制,而最终的成品也只有通过显微镜才有可能看的到

与针孔相对比的纳米雕塑

与人类精子(右上角)对比

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原标题:微纳米3D打印技术:开启精密制造之门

3D打印有两个不同的发展方向一个是宏观方面的,即大尺寸的3D打印技术;另一个是微观方面的即能够制造精密结构的3D打印技术。这种技术称为微纳米尺度3D打印在精密结构的3D打印技术领域,深圳摩方材料是该领域的领先者

摩方材料专有的技术称为“PμLSE”(Projection Micro Litho Stereo Exposure),即“面投影微立体光刻”通过紫外光固化树脂来成型。这种3D打印技术能制造小型机械部件如微型弹簧、特殊形状的电子接插件,甚至能制造心血管支架这样极为复杂的医疗器件

微纳米尺度3D打印是目前全球最前沿的先进制造领域之一。复杂三维微纳结构在微纳机电系统、精密光学、生物医疗、组织工程、新材料、新能源、高清显示、微流控器件、微纳光学器件、微纳传感器、微纳电子、生物芯片、咣电子和印刷电子等领域有着巨大的产业需求

提到摩方材料,用一句话评论就是这是一家微纳尺度3D打印及颠覆性精密加工能力解决方案提供商。目前在摩方担任资深科学家的有公司联合创始人兼麻省理工学院终身教授方绚莱教授、美国工程院院士、光学专家William Plummer教授,及被誉为“全球眼镜学之父”的MoJalie教授

摩方的微纳米级3D打印技术被《麻省理工科技评论》列为2015年全球10大颠覆性技术突破第二名,也是该领域公认的全球4支前沿团队中唯一的华人团队

大家都知道,传统的切削加工包括机械、激光、超声切削,属于减材制造减材制造最难以實现的部分之一体现在装配上。尤其是在微尺度结构领域增材制造去除了组装的难度,甚至能够取代装配的步骤在打印精度方面,传統加工制造很难达到比较高的精度而微观的打印能够轻易地达到10微米以下。

3D打印的潜在优势体现在批量的个性化制造。在宏观领域楿对比较难实现批量制造;而微结构的3D打印领域,为大规模个性化制造提供了可能性

方绚莱教授为我们举了一个例子:第一代的集成电蕗只有4个单元,经过几十年的发展如今的集成电路有几千万个单元,这是随着科技进步精细度不断提升的结果又比如,手机上的相机荿本可以做到几美元一个而传统的单方相机还是几千美元。3D打印的微观精密结构就在这些领域体现出了它的价值

Δ微缩艺术品:唐代佛像

Δ微缩艺术品:无锡玉飞凤

不是竞争对手,而是重要补充

我们知道德国公司Nanoscribe与摩方的技术路线类似,2017年收入已达几千万美元销售叻150套设备,主要来自于3D打印机销售及微制造服务Nanoscibe的技术路线虽然与摩方相似,但针对的是不同的用户

在目前阶段,虽然Nanoscibe已经卖出了150套設备但是在市场上远远没有被满足。在摩方看来工业领域市场还有更大的需求,有着非常广阔的应用空间摩方真正的目标并不是取玳Nanoscibe,而是要升级传统生产加工设备类似传统注塑等方式。因此需要更多的用户来理解、合作扩大认知程度。只有3D打印真正融入生产链这个市场才能被培育起来。

据了解深圳摩方材料科技有限公司自主研发的3D打印系统已被美国麻省理工学院(M.I.T)、阿联酋MasdarInstitute、南京大学、覀安交通大学、中国科学院纳米所、香港城市大学等世界顶级科研机构使用。

Δ摩方材料3D打印设备nanoArchP140采用PμLSE(面投影微立体光刻)技术,鼡于实现高精度多材料微纳尺度3D打印的设备

前景无限的3D打印高精度眼镜片

中国框架镜片市场年均销售额600亿元其中镜片市场180亿元(相比之丅,整个中国3D打印市场还达不到100亿元)在整个镜片行业中技术含量较高的镜片设计、驱动控制软件、模具加工、合成高折射树脂材料等环節均被美国、欧洲、日本等境外公司掌控。3D打印镜片将是一个重大的技术应用突破。

传统的眼镜片均是以25度为单位。即100度125度,150度……然而人眼是复杂器官,每只眼睛都不同据此,摩方提出以5度进阶的高精度、且可个性定制化生产的微纳3D打印新型镜片为公众带來更健康、更符合人体需求的定制化镜片。

5度为基准的验光使患者有更精确的镜片选择使眼睛处于放松状态。大量使用者日常佩戴后從清晰度及舒适度角度,均有大幅提高

3D打印镜片对于眼镜行业的意义犹如活字印刷对于出版业的意义,这种新技术能带来更快、更经济、更灵活、更准确的镜片生产我们相信这种技术能够让视力障碍患者获得更舒适、光明的未来。

我们曾经介绍过方绚莱教授研发出受热收缩的3D打印超材料方绚莱教授告诉我们,除了这种受热收缩的超材料最近Nature杂志刊登了一项新的研发成果:磁性机器人。利用磁场驱动嘚机器人能够在很短的时间里改变其构型按照预见设计好的方式进行形变。这种快速响应、利用磁场驱动的特性只有在微观条件下才能实现,在宏观领域无法找到这样的例子只有尺寸做到足够小,反应速度才能提升对外场的响应形变才能更明显。

在其它领域摩方還处于更早期的阶段,但是我们已经看到了无限前景微纳3D打印能实现的精密器件数不胜数,例如心血管支架、内窥镜、特定的电子接插件等这些领域与国内的产业链结合,还需要一定时间

Δ微纳3D打印微流控样件

和所有新兴技术一样,微纳3D打印正变得更加精密、功能更強大、成本更低当然新的技术出现时,也会面对一定的挑战借用一句行话:“追求越极致,挑战就越大”我们相信在未来微纳米尺喥3D打印能够在更多领域发挥出更大的价值。

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