Indlejret 3D‑printning efterligner naturen og åbner nye muligheder for halvledere

Producenter har forbedret deres indlejrede 3D‑printningsmetoder i løbet af de sidste 5 år. Alligevel er der én begrænsning, som ingen har formået at fjerne – evnen til hurtigt at printe ultratynde strukturer, som dem der findes i naturen. På grund af deres mikroskopiske egenskaber kan disse strukturer bygges utroligt stærke og modstandsdygtige, hvilket gør dem ideelle til nutidens højtydende anvendelser.

Heldigvis kan et innovativt forskerteam have låst op for en ny 3D‑printningsmetode, der efterligner naturen, og åbner døren for en række nye anvendelser, potentielt inklusive fremstilling af indlejrede halvledere. Her er, hvad du behøver at vide.

Efterlign naturen

Naturens tynde fiberrige strukturer som hår eller de tynde blodkar, der gør det muligt for dine muskler at modtage ilt gennem blodet, har mange funktioner. For nogle dyr kan disse tynde hår fungere som sensorer i form af knurhår. Hos andre arter, som edderkopper, kan de bruges som fælde eller som en måde at bygge et hjem på.

Øgler og mange andre dyr bruger hårlignende strukturer til at klatre op ad lodrette vægge. Der findes endda tilfælde, hvor tynde hårlignende strukturer anvendes som et forsvarsmekanisme. Hagfisken udskiller en fiberrig gel på rovdyr, som dækker deres gæller og øjne, og i praksis kvæler og blinder enhver potentiel rovdyr.

Ingeniører har i lang tid ønsket at efterligne mange af disse naturlige forekomster, men begrænsninger i nutidens fremstillingsprocesser har gjort det umuligt. De seneste fremskridt inden for højopløsningsindlejret 3D‑printning har løst nogle af problemerne, men mange forbliver. Nu lover en ny 3D‑printningsmetode at levere de manglende brikker i puslespillet og muliggøre en ny bølge af ultrafine designstrukturer.

Traditionelle 3D‑printningsmetoder

Traditionel 3D‑printning bruger en dyse og et opløsningsmiddel, som ekstruderes lag for lag i et åbent miljø. Materialet tørres derefter ved hjælp af tid, varme eller endda laser. De seneste fremskridt har gjort det muligt for traditionel 3D‑printning at producere tyndere ekstruderinger, men der mangler stadig meget i forhold til at efterligne naturen.

Ulemper

De største ulemper ved traditionelle 3D‑printningsmetoder omfatter problemer som den overordnede orientering af udskriften. Udskriften skal placeres, så hvert lag kan støtte det efterfølgende lag. I mange tilfælde skal støtte strukturer tilføjes og fjernes efter udskriften er tørret, hvilket øger den samlede arbejdsbyrde og tid.

Den tynde karakter af de fine hårlignende udskrifter, som ingeniører ønsker at skabe, har vist sig umulig at reproducere i åbent luft. Den strukturelle integritet, tyngdekraften og andre kræfter får de mikrotynde understøttelser til at bukke. En løsning er at printe i et stof i stedet for i luft.

Indlejret 3D‑printning

Indlejret 3D‑printning bruger et andet medium, som hjælper med at give støtte til strukturen, mens den hærder og størkner. Indlejrede printsystemer kan anvende hydrogeler, der gør det muligt for printerdyse at bevæge sig frit, men holder udskriften på plads, mens den tørrer. Denne tilgang løser problemerne med tyngdekraftinduceret deformation af trykte strukturer under direkte blækskrivning.

Indlejret 3D‑printning har yderligere fordele. For det første er hydrogelblandingen genanvendelig, hvilket betyder, at printere ikke behøver at købe mere for hver udskrift. De kan også bruge en række forskellige filamenter til at skabe komplekse strukturer, da processen giver støtte under hærdningsprocessen.

Ulemper ved indlejret 3D‑printning

Denne indlejrede 3D‑printningsmetode har vist sig at være mere effektiv til at printe visse designs og tyndere ekstruderinger, såsom helikale fjedre. Dog er evnen til at printe natur‑lignende fibre begrænset af filamentbrud på grund af kapillaritet. Test viser, at alt under en seksten‑mikron diameter ligger uden for rækkevidde for nuværende indlejrede 3D‑printningsmetoder på grund af filamentbrud forårsaget af overfladespænding.

Studie om indlejret 3D‑printning

Inspireret af naturen introducerede en gruppe ingeniører fra Dankook University i Sydkorea og andre en ny metode til indlejret 3D‑printning, der tager udgangspunkt i moder natur. Denne bioinspirerede tilgang blev offentliggjort i tidsskriftet Nature Communications som studiet “Fast 3D printing of fine, continuous, and soft fibers via embedded solvent exchange.” Den dykker ned i en hurtig printning, multi‑dyse proces kaldet 3DPX (3D‑printning ved opløsningsmiddeludveksling).

Ikke‑Newtonsk gel

3DPX‑metoden kombinerer brugen af ikke‑Newtonske geler med et nyt printerdesign for at printe mikron‑tynde filamentøse strukturer. Bemærkelsesværdigt udnytter gelen opløsningsmiddeludveksling til at hæmme kapillærbrud fra overfladespænding. På den måde tillader den printerdyse at bevæge sig frit på grund af den ekstra drejningsmoment, men de tynde fibre opfatter gelen som en fast substans, hvilket giver den nødvendige støtte.

3D‑printning efterligner naturen

Derudover leverede gelen overlegen mekanisk ydeevne takket være brugen af mikron‑skala trådbundter. Den reducerer begrænsninger på grund af den interfaciale overfladeråhed af mikrogelpartiklerne.

Øjeblikkelig hærdning

Ingeniørerne skabte gelen med en blanding af opløsningsmidler, der får blækket til at størkne så snart det kommer i kontakt med den. Den øjeblikkelige hærdning hjalp printprocessen med at understøtte indviklede supertynde strukturer, som ville have været umulige at fremstille med tidligere metoder og materialer.

Test af indlejret 3D‑printning

For at teste deres teori byggede holdet en specialfremstillet 3D‑printer. Enheden integrerede et præcist bevægelsesplatformssystem, dispensingsystem og kontrolcomputer, svarende til de fleste kommercielle enheder. Den væsentlige forskel er, at den printer inden for en støttende gel med viskoplastisk flydeegenskab ved flydepunkt.

Bemærkelsesværdigt testede holdet 7 forskellige blæk for at finde den bedste mulighed. Udvalget omfattede materialer fra termoplastiske elastomerer til polystyren og PVC. Yderligere test gennemgår brugen af styren‑ethylen‑butylen‑styren blokcopolymer, SEBS og toluen som opløsningsmiddel.

Resultater af indlejret 3D‑printning

Testresultaterne viste imponerende kapaciteter. De fandt, at opløsningsmiddeludvekslingen mellem det ekstruderede blæk fremmede hurtig størkning, hvilket understøttede mere indviklede og komplekse udskrifter. Holdets printer var i stand til at opnå en indvendig diameter på 5 µm på udskrifter ved brug af en glasdyse. Den samme enhed opnåede en tyndhedsløsning på 1,5 mikron, mens den fulgte friformsbaner.

Fordele ved indlejret 3D‑printning

Evnen til at printe strukturer ved brug af bløde materialer med en diameter så lille som én mikron åbner døren for en materialvidenskabelig revolution. Materialer og strukturer, der udnytter tynde hårlignende strukturer, kan give et nyt niveau af strukturel integritet.

Hurtigere

Denne metode til indlejret 3D‑printning er hurtigere end traditionelle metoder på grund af den øjeblikkelige hærdningsfunktion. Specifikt registrerede holdet størkningen af den ekstruderede polymerfilament med en hastighed på 2,33 μm/s. Imponerende viser disse data en hastighed 500 000 gange hurtigere end konkurrerende metoder.

Hurtig fremstilling

Desuden åbner evnen til at printe gennem flere dyser parallelt døren for stor‑skala fremstillingsapplikationer. Flere dyser kan opsættes til at printe som en samlebånd eller til at skabe en kompleks struktur. Disse strukturer kan integrere forskellige materialer. Som følge heraf kan de printe elektriske kredsløb, kontakter og meget mere.

Fleksibilitet

Forskningen viser, at 3DPX kan understøtte et bredt udvalg af materialer, herunder flere kommercielt tilgængelige polymerer, opløsningsmidler og ikke‑oløsningsmidler. Denne fleksibilitet gør processen lettere at integrere i de nuværende fremstillingsprocesser.

Hvad indlejret 3D‑printningsteknologi betyder for halvledere

Denne seneste tilgang vil give ingeniører mulighed for at skabe fuldt aktive 3D‑printede halvledere ved at udnytte nylige gennembrud såsom fuldt 3D‑printede nulstillbare sikringer. Dette teknologiske gennembrud kan få en gennemgribende effekt på halvlederindustrien. Endelig gør det det muligt for forskere at gøre fremstillingen af disse enheder mere overkommelig, effektiv og kapabel.

Forskere inden for indlejret 3D‑printning

Dr. Wonsik Eom fra Afdelingen for Fiber Convergence Material Engineering ved Dankook University i Sydkorea arbejdede sammen med et hold af ingeniører, herunder MechME‑professorerne Sameh Tawfick og Randy Ewoldt, for at bringe denne nye 3D‑printningsundersøgelse ud til offentligheden. I fremtiden planlægger de at udvide testningen for at undersøge endnu flere materialer og geler.

Virksomheder der leder inden for indlejret 3D‑printningsindustri

Additiv fremstilling har gjort store fremskridt i løbet af det sidste årti. I dag spænder flere typer printmetoder fra fremstilling af kompositmaterialer til rumfartøjer til at printe menneskelige organer og alt derimellem. Her er en virksomhed, der er klar til at maksimere enhver 3D‑printningsudvikling.

Materialise

Den belgisk‑baserede 3D‑printsoftware‑ og fremstillingsvirksomhed, Materialise (MTLS ) forbliver en pionerånd på markedet. Den blev grundlagt af Wilfried Vancraen og Hilde Ingelaere i 1990 for at tilbyde hurtige prototypemuligheder til producenter. Imponerende har denne virksomhed introduceret flere første gang i løbet af de sidste tre årtier.

I dag er Materialise’s 3D‑printsoftware populær blandt producenter på grund af dens brug af moduler. Specifikt findes der moduler til gitteroprettelse og delinddeling. Disse muligheder hjælper udviklere med at skabe lettere og stærkere designs og kan være ideelle til fremstilling af mikron‑tynde strukturer.

Materialise har produktudbud på tværs af flere industrier, fra den medicinske sektor til industrielle anvendelser. Den er anerkendt som en af de førende 3D‑printningsaktieoptioner for investorer. Som sådan kan den være en smart tilføjelse til porteføljen for dem, der søger en velrenommeret 3D‑printningsaktie med årtiers erfaring.

Indlejret 3D‑printning – hurtigere og lettere computere

Der er utallige anvendelser for ultratynde 3D‑mønstrede strukturer. Når man ser på hardwareudvikleres ønske om at kunne printe hele chips i en enkelt proces, vil forskningen udført af dette hold vise sig at være en værdifuld ressource fremover. For det første åbner denne forskning døren for mange gennembrud inden for materialvidenskab og andre felter.

Lær om andre seje 3D‑printnings Nyheder.

Studierreferencer:

^{1. Eom, W., Hossain, M. T., Parasramka, V., Kim, J., Siu, R. W. Y., Sanders, K. A., Piorkowski, D., Lowe, A., Koh, H. G., De Volder, M. F. L., Fudge, D. S., Ewoldt, R. H., & Tawfick, S. H. (2025). Hurtig 3D‑printning af fine, kontinuerlige og bløde fibre via indlejret opløsningsmiddeludveksling. Nature Communications, 16, 842. https://doi.org/10.1038/s41467-025-55972-1}