Pencetakan 3D Tertanam Meniru Alam, Membuka Kemungkinan Baru untuk Semikonduktor

Para produsen telah meningkatkan metode pencetakan 3D tertanam mereka selama 5 tahun terakhir. Namun, satu keterbatasan tetap ada yang belum berhasil dihilangkan—kemampuan mencetak struktur ultra‑tipis dengan cepat, seperti yang ditemukan di alam. Karena karakteristik mikroskopisnya, struktur ini dapat dibangun sangat kuat dan tahan lama, menjadikannya ideal untuk aplikasi berperforma tinggi saat ini.

Untungnya, tim peneliti inovatif mungkin telah menemukan metode pencetakan 3D baru yang meniru alam, membuka peluang untuk berbagai penggunaan baru, berpotensi termasuk pembuatan semikonduktor tertanam. Berikut yang perlu Anda ketahui.

Meniru Alam

Alam memiliki banyak kegunaan untuk struktur serat tipis seperti rambut atau pembuluh darah tipis yang memungkinkan otot Anda menerima oksigen melalui aliran darah. Bagi beberapa hewan, rambut tipis ini dapat berfungsi sebagai sensor berupa kumis. Pada spesies lain, seperti laba‑laba, mereka dapat digunakan sebagai perangkap atau cara membangun sarang.

Kadal dan banyak hewan lainnya menggunakan fitur mirip rambut untuk memanjat dinding vertikal. Bahkan ada kasus di mana struktur mirip rambut tipis digunakan sebagai mekanisme pertahanan. Ikan hagfish akan memuntahkan gel berserat ke predator yang menutupi insang dan mata mereka, secara efektif mencekik dan membutakan setiap predator potensial.

Insinyur telah lama ingin meniru banyak fenomena alami ini, namun keterbatasan dalam proses manufaktur saat ini membuatnya tidak mungkin. Kemajuan terbaru dalam teknologi pencetakan 3D tertanam beresolusi tinggi membantu menyelesaikan beberapa masalah, tetapi masih banyak yang tersisa. Sekarang, metode pencetakan 3D baru menjanjikan untuk memberikan potongan puzzle yang hilang, memungkinkan gelombang baru struktur desain ultra‑halus.

Metode Pencetakan 3D Tradisional

Pencetakan 3D tradisional menggunakan nozzle dan pelarut yang diekstrusi lapis demi lapis dalam lingkungan terbuka. Material kemudian dikeringkan menggunakan waktu, panas, atau bahkan laser. Kemajuan terbaru telah membantu pencetakan 3D tradisional memperoleh kemampuan menghasilkan ekstrusi yang lebih tipis, namun masih banyak yang kurang dalam meniru alam.

Kekurangan

Kekurangan utama metode pencetakan 3D tradisional meliputi masalah seperti orientasi keseluruhan cetakan. Cetakan harus ditempatkan sehingga setiap lapisan dapat mendukung lapisan berikutnya. Dalam banyak kasus, struktur penopang perlu ditambahkan dan dihapus setelah cetakan mengering, menambah beban kerja dan waktu secara keseluruhan.
Kerapatan cetakan tipis mirip rambut yang ingin dibuat insinyur terbukti tidak dapat direproduksi di udara terbuka. Integritas struktural, gravitasi, dan gaya lain menyebabkan penopang mikro‑tipis melengkung. Salah satu solusi adalah mencetak ke dalam zat daripada udara.

Pencetakan 3D Tertanam

Pencetakan 3D tertanam menggunakan medium lain yang membantu memberikan dukungan bagi struktur saat mengeras dan mengering. Sistem pencetakan tertanam dapat menggunakan hidrogel yang memungkinkan nozzle bergerak bebas namun menahan cetakan pada tempatnya saat mengering. Pendekatan ini menyelesaikan masalah deformasi akibat gravitasi pada struktur yang dicetak selama penulisan tinta langsung.
Pencetakan 3D tertanam memiliki beberapa keuntungan tambahan. Pertama, campuran hidrogel dapat digunakan kembali, artinya printer tidak perlu membeli lebih banyak untuk setiap cetakan. Mereka juga dapat menggunakan berbagai filamen berbeda untuk membuat struktur kompleks karena proses ini memberikan dukungan selama pengerasan.

Kekurangan Pencetakan 3D Tertanam

Metode pencetakan 3D tertanam ini terbukti lebih efektif dalam mencetak desain tertentu dan ekstrusi yang lebih tipis, seperti pegas heliks. Namun, kemampuannya mencetak serat mirip alam masih terbatas oleh pecahnya filamen akibat kapilaritas. Pengujian menunjukkan bahwa apa pun dengan diameter di bawah enam belas mikron berada di luar jangkauan metode pencetakan 3D tertanam saat ini karena pecahnya filamen akibat tegangan permukaan.

Studi Pencetakan 3D Tertanam

Terinspirasi oleh alam, sekelompok insinyur dari Universitas Dankook di Korea Selatan dan lainnya memperkenalkan metode baru pencetakan 3D tertanam yang mengambil petunjuk dari alam. Pendekatan bio‑inspirasi ini dipublikasikan dalam jurnal Nature Communications sebagai studi “Pencetakan 3D Cepat dari Serat Halus, Kontinu, dan Lembut melalui Pertukaran Pelarut Tertanam.” Studi ini membahas proses pencetakan cepat dengan banyak nozzle yang disebut 3DPX (pencetakan 3D dengan pertukaran pelarut).

Gel Non‑Newtonian

Metode 3DPX menggabungkan penggunaan gel non‑Newtonian dengan desain printer baru untuk mencetak struktur filamen berukuran mikron. Secara khusus, gel tersebut memanfaatkan pertukaran pelarut untuk menghambat pecahnya kapiler akibat tegangan permukaan. Dengan demikian, gel memungkinkan nozzle bergerak bebas berkat torsi tambahan, namun serat tipis memperlakukan gel sebagai padatan, memberikan dukungan yang diperlukan.

Selain itu, gel tersebut memberikan kinerja mekanik yang superior berkat penggunaan bundel benang berukuran mikron. Mengurangi keterbatasan akibat kekasaran permukaan antarmuka partikel mikrogel.

Pengerasan Instan

Para insinyur menciptakan gel dengan campuran pelarut yang membuat tinta mengeras segera setelah bersentuhan. Pengerasan instan membantu proses pencetakan mendukung struktur super‑tipis yang rumit, yang sebelumnya tidak mungkin dilakukan dengan metode dan material sebelumnya.

Uji Pencetakan 3D Tertanam

Untuk menguji teori mereka, tim membuat printer 3D buatan khusus. Perangkat tersebut mengintegrasikan sistem panggung gerak presisi, sistem dispensi, dan komputer kontrol, mirip dengan kebanyakan unit yang ditemukan secara komersial. Perbedaan utama adalah bahwa printer mencetak di dalam gel penopang dengan rheologi fluida viskoplastik yang memiliki tegangan leleh.
Secara khusus, tim menguji 7 tinta berbeda untuk menemukan opsi terbaik. Pilihan tersebut mencakup berbagai material mulai dari elastomer termoplastik hingga polistirena dan PVC. Pengujian tambahan meninjau penggunaan kopolimer blok stirena etilena butilena stirena, SEBS, dan toluena sebagai pilihan pelarut.

Hasil Pencetakan 3D Tertanam

Hasil pengujian menunjukkan kemampuan yang mengesankan. Mereka menemukan bahwa pertukaran pelarut antara tinta yang diekstrusi memfasilitasi pengerasan cepat, mendukung cetakan yang lebih rumit dan kompleks. Printer tim berhasil mencapai diameter dalam cetakan sebesar 5 µm menggunakan nozzle kaca. Perangkat yang sama mencapai resolusi ketebalan 1,5 mikron sambil mengikuti lintasan bebas bentuk.

Manfaat Pencetakan 3D Tertanam

Kemampuan mencetak struktur menggunakan material lunak dengan diameter sekecil satu mikron membuka pintu bagi revolusi ilmu material. Material dan struktur yang memanfaatkan struktur mirip rambut tipis dapat memberikan tingkat integritas struktural yang baru.

Lebih Cepat

Metode pencetakan 3D tertanam ini lebih cepat daripada metode tradisional berkat fitur pengerasan instan. Secara khusus, tim mencatat pengerasan filamen polimer yang diekstrusi pada kecepatan 2,33 μm/s. Secara mengesankan, data ini menunjukkan kecepatan 500.000 kali lebih cepat dibandingkan metode pesaing.

Manufaktur Cepat

Selain itu, kemampuan mencetak melalui banyak nozzle secara paralel membuka peluang untuk aplikasi manufaktur skala besar. Beberapa nozzle dapat diatur untuk mencetak seperti jalur perakitan atau untuk membuat struktur kompleks. Struktur ini dapat mengintegrasikan material yang berbeda. Dengan demikian, mereka dapat mencetak sirkuit listrik, saklar, dan banyak lagi.

Fleksibilitas

Penelitian menunjukkan bahwa 3DPX dapat mendukung berbagai material termasuk beberapa polimer, pelarut, dan komponen non‑pelarut yang tersedia secara komersial. Fleksibilitas ini memudahkan proses tersebut untuk diintegrasikan ke dalam proses manufaktur saat ini.

Apa Artinya Teknologi Pencetakan 3D Tertanam bagi Semikonduktor

Pendekatan terbaru ini akan memungkinkan insinyur menciptakan semikonduktor tercetak 3D yang sepenuhnya aktif dengan memanfaatkan terobosan terbaru seperti sekering dapat direset tercetak 3D sepenuhnya. Terobosan teknologi ini dapat memberikan dampak besar pada industri semikonduktor. Akhirnya memungkinkan ilmuwan membuat produksi perangkat ini lebih terjangkau, efisien, dan mampu.

Peneliti Pencetakan 3D Tertanam

Dr. Wonsik Eom dari Departemen Teknik Material Konvergensi Serat di Universitas Dankook, Korea Selatan bekerja bersama tim insinyur termasuk Profesor MechME Sameh Tawfick dan Randy Ewoldt untuk memperkenalkan studi pencetakan 3D baru ini kepada publik. Di masa depan, mereka berencana memperluas pengujian untuk memeriksa lebih banyak material dan gel.

Perusahaan-Perusahaan yang Memimpin Industri Pencetakan 3D Tertanam

Manufaktur aditif telah berkembang pesat selama dekade terakhir. Saat ini, berbagai jenis metode pencetakan mencakup pembuatan material komposit untuk pesawat luar angkasa, hingga pencetakan organ manusia dan segala sesuatu di antaranya. Berikut satu perusahaan yang siap memaksimalkan setiap kemajuan pencetakan 3D.

Materialise

Perusahaan perangkat lunak dan manufaktur pencetakan 3D berbasis Belgia, Materialise (MTLS ) tetap menjadi pelopor di pasar. Perusahaan ini didirikan oleh Wilfried Vancraen dan Hilde Ingelaere pada tahun 1990 untuk menawarkan opsi prototipe cepat kepada produsen. Secara mengesankan, perusahaan ini memperkenalkan beberapa hal pertama selama tiga dekade terakhir.

Saat ini, perangkat lunak pencetakan 3D Materialise populer di kalangan produsen karena penggunaan modul-modulnya. Secara khusus, terdapat modul untuk pembuatan kisi dan penataan bagian. Opsi-opsi ini membantu pengembang menciptakan desain yang lebih ringan dan kuat serta dapat menjadi ideal dalam pembuatan struktur mikron‑tipis.

Materialise memiliki produk yang ditawarkan di berbagai industri mulai dari sektor medis hingga kasus penggunaan industri. Perusahaan ini diakui sebagai salah satu pilihan saham pencetakan 3D terkemuka bagi para trader. Oleh karena itu, ini bisa menjadi tambahan cerdas bagi portofolio mereka yang mencari saham pencetakan 3D yang memiliki reputasi baik dan pengalaman puluhan tahun.

Pencetakan 3D Tertanam – Komputer Lebih Cepat dan Lebih Ringan

Ada begitu banyak kegunaan untuk struktur pola 3D ultra‑tipis. Ketika Anda meneliti keinginan pengembang perangkat keras untuk dapat mencetak seluruh chip dalam satu proses, penelitian yang dilakukan tim ini akan terbukti menjadi sumber berharga ke depan. Salah satunya, penelitian ini membuka pintu bagi banyak terobosan di bidang ilmu material dan bidang lainnya.

Pelajari tentang Berita 3D Printing lainnya yang menarik.

Referensi Studi:

^{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). Pencetakan 3D Cepat dari Serat Halus, Kontinu, dan Lembut melalui Pertukaran Pelarut Tertanam. Nature Communications, 16, 842. https://doi.org/10.1038/s41467-025-55972-1}