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.

Pencetakan 3D Meniru Alam