Upotettu 3D-tulostus jäljittelee luontoa, avaten uusia mahdollisuuksia puolijohteille

Valmistajat ovat parantaneet upotettuja 3D-tulostusmenetelmiään viimeisten viiden vuoden aikana. Kuitenkin yksi rajoitus on edelleen olemassa, eikä kukaan ole onnistunut poistamaan sitä – kyky nopeasti tulostaa erittäin ohuita rakenteita, kuten luonnossa esiintyviä. Mikroskooppisten ominaisuuksiensa ansiosta nämä rakenteet voidaan rakentaa uskomattoman vahvoiksi ja kestäviksi, mikä tekee niistä ihanteellisia nykypäivän korkean suorituskyvyn sovelluksiin.

Onneksi innovatiivinen tutkijaryhmä on saattanut avata uuden 3D-tulostusmenetelmän, joka jäljittelee luontoa, avaten ovet moniin uusiin käyttötarkoituksiin, mahdollisesti myös upotettujen puolijohteiden luomiseen. Tässä on, mitä sinun tarvitsee tietää.

Luonnon jäljittely

Luonto hyödyntää monin tavoin ohuita kuiturakenteita, kuten karvoja tai ohuita verisuonia, jotka mahdollistavat lihasten hapensaannin verenkierron kautta. Joillekin eläimille nämä ohuet karvat toimivat antureina viiksinä. Toisilla lajeilla, kuten hämähäkeillä, ne voivat olla ansa tai tapa rakentaa pesä.

Liskot ja monet muut eläimet käyttävät karvamaisia piirteitä kiipeääkseen pystysuoriin seiniin. On myös tapauksia, joissa ohuita karvamaisia rakenteita käytetään puolustusmekanismina. Hagifishi heittää kuitumaisen geelin saalistajille, joka peittää niiden kidukset ja silmät, käytännössä tukahduttaen ja sokaisten mahdolliset saalistajat.

Insinöörit ovat pitkään halunneet jäljitellä monia näistä luonnollisista ilmiöistä, mutta nykypäivän valmistusprosessien rajoitukset ovat tehneet sen mahdottomaksi. Viimeaikaiset edistysaskeleet korkean tarkkuuden upotetussa 3D-tulostusteknologiassa ovat auttaneet ratkaisemaan joitakin ongelmia, mutta monet haasteet ovat edelleen olemassa. Nyt uusi 3D-tulostusmenetelmä lupaa tarjota puuttuvat palaset palapelistä, mahdollistaen uuden aallon erittäin hienoja suunnittelurakenteita.

Perinteiset 3D-tulostusmenetelmät

Perinteinen 3D-tulostus käyttää suutin ja liuotinta, jotka puristetaan kerros kerrokselta avoimessa ilmassa. Materiaali kuivataan sitten ajan, lämmön tai jopa laserien avulla. Viimeaikaiset edistysaskeleet ovat auttaneet perinteistä 3D-tulostusta tuottamaan ohuempia puristuksia, mutta luonnon jäljittelemisessä on edelleen paljon puutteita.

Haitat

Perinteisten 3D-tulostusmenetelmien tärkeimmät haitat sisältävät ongelmia, kuten tulostuksen kokonaisasennon. Tulostuksen on oltava asennossa, jossa jokainen kerros tukee seuraavaa kerrosta. Monissa tapauksissa tukirakenteet on lisättävä ja poistettava tulostuksen kuivuttua, mikä lisää kokonaistyömäärää ja -aikaa.

Ohuet, hienot karvamaiset tulosteet, joita insinöörit pyrkivät luomaan, ovat osoittautuneet mahdottomiksi toistaa avoimessa ilmassa. Rakenne- ja painovoima sekä muut voimat aiheuttavat mikroskooppisten tukien vääntymisen. Yksi ratkaisu on tulostaa aineeseen ilman sijaan.

Upotettu 3D-tulostus

Upotettu 3D-tulostus käyttää toista väliaineita, jotka auttavat tarjoamaan tukea rakenteelle sen kovettuessa ja kovetessa. Upotettavat tulostusjärjestelmät voivat käyttää hydrogeelejä, jotka mahdollistavat suuttimen liikkumisen vapaasti, mutta pitävät tulosteen paikallaan kuivumisen aikana. Tämä lähestymistapa ratkaisee painovoiman aiheuttaman muodonmuutoksen ongelmat suoran musteen kirjoittamisen aikana.

Upotetulla 3D-tulostuksella on myös lisäetuja. Yksi niistä on, että hydrogeelimassa on uudelleenkäytettävä, mikä tarkoittaa, että tulostimien ei tarvitse ostaa uutta jokaiselle tulosteelle. Ne voivat myös käyttää erilaisia filamentteja monimutkaisten rakenteiden luomiseen, koska prosessi tarjoaa tukea kovetuksen aikana.

Upotetun 3D-tulostuksen haitat

Tämä upotettu 3D-tulostusmenetelmä on osoittautunut tehokkaammaksi tiettyjen mallien ja ohuempien puristusten, kuten kierteisten jousien, tulostamisessa. Kuitenkin sen kyky tulostaa luonnon kaltaisia kuituja on rajoittunut filamentin katkeamiseen kapillaari-ilmiön vuoksi. Testit osoittavat, että kaikki alle kuusitoista mikronin halkaisijaltaan jäävät nykyisten upotettujen 3D-tulostusmenetelmien ulkopuolelle, koska filamentti katkeaa pintajännityksestä.

Upotetun 3D-tulostuksen tutkimus

Luonnosta inspiroituneena Etelä-Korean Dankook-yliopiston insinöörit ja muut esittelivät uuden upotetun 3D-tulostusmenetelmän, joka ammentaa äidiltä luonnolta. Tämä bio-inspiroitu lähestymistapa julkaistiin lehdessä Nature Communications tutkimuksena “Fast 3D printing of fine, continuous, and soft fibers via embedded solvent exchange”. Se käsittelee nopeaa tulostusta, monisuuttimista, prosessia nimeltä 3DPX (3D printing by solvent exchange).

Ei-Newtonin geeli

3DPX-menetelmä yhdistää ei-Newtonin geelin käytön uuteen tulostinsuunnitteluun mikronikokoisten filamenttirakenteiden tulostamiseksi. Merkittävää on, että geeli hyödyntää liuottimen vaihtoa estäen kapillaari-katkeamisen pintajännityksestä. Näin se sallii tulostussuuttimen liikkua vapaasti lisättyjen vääntömomentin ansiosta, mutta ohuet kuidut näkevät geelin kiinteänä, tarjoten tarvittavan tuen.

3D-tulostus jäljittelee luontoa

Lisäksi geeli tarjosi ylivoimaista mekaanista suorituskykyä mikroskooppisten lankapakettien käytön ansiosta. Se vähentää rajoituksia mikrogeli-hiukkasten rajapinnan karheuden vuoksi.

Välitön kovettuminen

Insinöörit loivat geelin seoksesta liuottimia, jotka saivat musteen kovettumaan heti kosketuksen jälkeen. Välitön kovettuminen auttoi tulostusprosessia tukemaan monimutkaisia superohuita rakenteita, jotka olisivat olleet mahdottomia aiempien menetelmien ja materiaalien avulla.

Upotetun 3D-tulostuksen testi

Testatakseen teoriaansa tiimi rakensi räätälöidyn 3D-tulostimen. Laite sisälsi tarkkuusliikelaudan, annostelujärjestelmän ja ohjaustietokoneen, samankaltaisesti kuin useimmat kaupallisesti saatavilla olevat yksiköt. Keskeinen ero on, että se tulostaa tukigeelin sisällä viskoplastisen yield-stress -nesteen rheologialla.

Erityisesti tiimi testasi seitsemää erilaista mustetta löytääkseen parhaan vaihtoehdon. Valikoimaan kuului erilaisia materiaaleja termoplastisista elastomeereista polystyreeniin ja PVC:hen. Lisätestaus tarkastelee styreeni-etyleenibutyylistyreeniblockkopolymeerin, SEBS:n ja toluenin käyttöä liuottimena.

Upotetun 3D-tulostuksen tulokset

Testitulokset osoittivat vaikuttavia kykyjä. He havaitsivat, että puristetun musteen ja liuottimen välinen vaihto edisti nopeaa kiinteytymistä, tukien monimutkaisempia ja tarkempia tulosteita. Tiimin tulostin pystyi saavuttamaan sisähalkaisijan 5 µm lasisuutin avulla. Sama laite saavutti ohuusresoluution 1,5 mikronia seuraten vapaamuotoisia reittejä.

Upotetun 3D-tulostuksen hyödyt

Kyky tulostaa rakenteita pehmeillä materiaaleilla, joiden halkaisija on yhtä kuin yksi mikroni, avaa oven materiaalitieteen vallankumoukseen. Materiaalit ja rakenteet, jotka hyödyntävät ohuita karvamaisia rakenteita, voivat tarjota uuden tason rakenteelliselle eheytykselle.

Nopeampi

Tämä upotetun 3D-tulostuksen menetelmä on nopeampi kuin perinteiset menetelmät välittömän kovettumisominaisuuden ansiosta. Erityisesti tiimi mittasi puristetun polymerifilamentin kiinteytymisen nopeudella 2,33 μm/s. Vaikuttavaa on, että tämä data on 500 000 kertaa nopeampi kuin kilpailevat menetelmät.

Nopea valmistus

Lisäksi kyky tulostaa useilla suuttimilla rinnakkain avaa ovet massatuotannon sovelluksiin. Useita suuttimia voidaan asettaa toimimaan kuin kokoonpanolinja tai luomaan monimutkaisia rakenteita. Nämä rakenteet voivat integroida erilaisia materiaaleja. Näin ne voivat tulostaa sähköpiirejä, kytkimiä ja paljon muuta.

Joustavuus

Tutkimus osoittaa, että 3DPX voi tukea laajaa materiaalivalikoimaa, mukaan lukien useita kaupallisesti saatavilla olevia polymeereja, liuottimia ja ei-liuotinkomponentteja. Tämä joustavuus tekee prosessista helpommin integroitavan nykyisiin valmistusprosesseihin.

Mitä upotettu 3D-tulostusteknologia merkitsee puolijohteille

Uusin lähestymistapa antaisi insinööreille mahdollisuuden luoda täysin aktiivisia 3D-tulostettuja puolijohteita hyödyntäen viimeaikaisia läpimurtoja, kuten täysin 3D-tulostettuja nollattavia sulakkeita. Tämä teknologinen läpimurto voi vaikuttaa voimakkaasti puolijohdeteollisuuteen. Lopulta se mahdollistaa tutkijoille näiden laitteiden valmistuksen edullisemmaksi, tehokkaammaksi ja kykenevämmäksi.

Upotetun 3D-tulostuksen tutkijat

Tohtori Wonsik Eom, joka työskentelee kuitukonvergenssimateriaalitekniikan laitoksessa Dankook-yliopistossa Etelä-Koreassa, työskenteli yhdessä insinööriyhteisön kanssa, mukaan lukien MechSE-professorit Sameh Tawfick ja Randy Ewoldt, tuodakseen tämän uuden 3D-tulostustutkimuksen julkisuuteen. Tulevaisuudessa he aikovat laajentaa testauksia tutkiakseen entistä enemmän materiaaleja ja geelejä.

Yritykset, jotka johtavat upotetun 3D-tulostusalan

Lisävalmistus on kehittynyt merkittävästi viimeisen vuosikymmenen aikana. Nykyään erilaisia tulostusmenetelmiä on käytössä, alkaen komposiittimateriaalien valmistuksesta avaruusaluksille aina ihmisen elinten tulostamiseen ja kaikkeen siltä väliltä. Tässä on yksi yritys, joka on valmis hyödyntämään kaikki 3D-tulostuksen edistysaskeleet.

Materialise

Belgialainen 3D-tulostusohjelmisto- ja valmistusyritys Materialise (MTLS ) on edelleen markkinoiden edelläkävijä. Se perustettiin Wilfried Vancraenin ja Hilde Ingelaeren toimesta vuonna 1990 tarjotakseen nopeita prototyyppivaihtoehtoja valmistajille. Vaikuttavaa on, että yritys on esitellyt useita ensimmäisiä asioita viimeisen kolmen vuosikymmenen aikana.

Nykyään Materialisen 3D-tulostusohjelmisto on suosittu valmistajien keskuudessa sen moduulien käytön ansiosta. Erityisesti on moduuleja ruudukon luomiseen ja osien sijoitteluun. Nämä vaihtoehdot auttavat kehittäjiä luomaan kevyempiä ja vahvempia suunnitelmia, ja ne voisivat olla ihanteellisia mikronikkojen rakenteiden luomisessa.

Materialise tarjoaa tuotteita useilla toimialoilla, lääketieteellisestä sektorista teollisiin käyttötapauksiin. Se on tunnustettu yhtenä johtavista 3D-tulostusosakkeista kauppiaiden keskuudessa. Näin ollen se voi olla fiksu lisäys sellaisten sijoittajien salkkuun, jotka etsivät arvostettua 3D-tulostusosaketta, jolla on vuosikymmenten kokemus.

Upotettu 3D-tulostus – Nopeammat ja kevyemmät tietokoneet

Erittäin ohut 3D-muotoiltujen rakenteiden käyttömahdollisuuksia on lukuisia. Kun tarkastelee laitteistokehittäjien halua pystyä tulostamaan kokonaisia siruja yhdellä prosessilla, tämän tiimin tekemä tutkimus osoittautuu arvokkaaksi resurssiksi tulevaisuudessa. Yksi asia on, että tämä tutkimus avaa ovet monille läpimurroille materiaalitieteen ja muiden alojen saralla.

Lue lisää muista hienoista 3D-tulostusNews.

Tutkimusviite:

^{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). Nopea 3D-tulostus hienojen, jatkuvien ja pehmeiden kuitujen avulla upotetun liuottimen vaihdon kautta. Nature Communications, 16, 842. https://doi.org/10.1038/s41467-025-55972-1}