Embedded 3D‑printen bootst de natuur na en opent nieuwe mogelijkheden voor halfgeleiders

Fabrikanten hebben hun embedded 3D‑printmethoden de afgelopen vijf jaar verbeterd. Toch blijft één beperking bestaan die niemand heeft kunnen wegnemen: de mogelijkheid om ultra‑dunne structuren, zoals die in de natuur voorkomen, snel te printen. Door hun microscopische kenmerken kunnen deze structuren ongelooflijk sterk en veerkrachtig worden gebouwd, waardoor ze ideaal zijn voor de high‑performance toepassingen van vandaag.

Gelukkig heeft een innovatief team van onderzoekers mogelijk een nieuwe 3D‑printmethode ontdekt die de natuur nabootst, waardoor een reeks nieuwe toepassingen mogelijk wordt, mogelijk inclusief het creëren van embedded halfgeleiders. Dit is wat u moet weten.

Natuur nabootsen

De natuur maakt veel gebruik van dunne vezelachtige structuren zoals haren of de dunne bloedvaten die uw spieren zuurstof via de bloedstroom laten ontvangen. Voor sommige dieren kunnen deze dunne haren fungeren als sensoren in de vorm van snorharen. Bij andere soorten, zoals spinnen, kunnen ze worden gebruikt als val of om een huis te bouwen.

Hagedissen en vele andere dieren gebruiken haarachtige structuren om verticale muren te beklimmen. Er zijn zelfs gevallen waarin dunne haarachtige structuren als verdedigingsmechanisme worden ingezet. De hagvis spuwt een vezelig gel op roofdieren, waardoor hun kieuwen en ogen bedekt worden, wat in feite de roofdier verstikt en verblindt.

Ingenieurs willen al lange tijd veel van deze natuurlijke verschijnselen repliceren, maar beperkingen in de huidige productieprocessen hebben dit onmogelijk gemaakt. Recente vooruitgangen in high‑resolution embedded 3D‑printtechnologie hebben enkele problemen opgelost, maar er blijven er veel. Nu belooft een nieuwe 3D‑printmethode de ontbrekende puzzelstukken te leveren, waardoor een nieuwe golf van ultrafijne ontwerpstructuren mogelijk wordt.

Traditionele 3D‑printmethoden

Traditionele 3D‑printing maakt gebruik van een nozzle en een oplosmiddel die laag voor laag in een open‑lucht omgeving worden geëxtrudeerd. Het materiaal wordt vervolgens gedroogd met tijd, warmte of zelfs lasers. Recente ontwikkelingen hebben traditionele 3D‑printing in staat gesteld dunnere extrusies te produceren, maar er blijft veel ontbreken op het gebied van het dupliceren van de natuur.

Nadelen

De belangrijkste nadelen van traditionele 3D‑printmethoden omvatten problemen zoals de algehele oriëntatie van de print. De print moet zodanig liggen dat elke laag de volgende laag kan ondersteunen. In veel gevallen moeten ondersteuningsstructuren worden toegevoegd en verwijderd nadat de print is opgedroogd, wat de totale werklast en tijd vergroot.

De dunheid van de fijne haarachtige prints die ingenieurs willen creëren, blijkt onmogelijk te reproduceren in de open lucht. De structurele integriteit, zwaartekracht en andere krachten zorgen ervoor dat de micro‑dunne ondersteuningen buigen. Een oplossing is om in een substantie te printen in plaats van in lucht.

Embedded 3D‑printing

Embedded 3D‑printing maakt gebruik van een ander medium dat ondersteuning biedt aan de structuur terwijl deze uithardt en hard wordt. Embedded‑printsystemen kunnen hydrogel gebruiken die de printnozzle vrij laten bewegen, maar de print op zijn plaats houden terwijl deze droogt. Deze aanpak lost de problemen op die verband houden met door zwaartekracht veroorzaakte vervorming van geprinte structuren tijdens direct ink writing.

Embedded 3D‑printing heeft nog enkele extra voordelen. Ten eerste is het hydrogelmengsel herbruikbaar, wat betekent dat printers niet voor elke print nieuw materiaal hoeven aan te schaffen. Ze kunnen ook verschillende filamenten gebruiken om complexe structuren te creëren, aangezien het proces ondersteuning biedt tijdens het uithardingsproces.

Nadelen van embedded 3D‑printing

Deze embedded 3D‑printmethode is effectiever gebleken bij het printen van bepaalde ontwerpen en dunnere extrusies, zoals helicale veren. Echter, het vermogen om natuur‑achtige vezels te printen blijft beperkt door filamentbreuk als gevolg van capillariteit. Tests tonen aan dat alles onder een diameter van zestien micron buiten het bereik van de huidige embedded 3D‑printmethoden valt, vanwege filamentbreuk door oppervlaktespanning.

Embedded 3D‑printstudie

Geïnspireerd door de natuur introduceerde een groep ingenieurs van de Dankook University in Zuid‑Korea en anderen een nieuwe methode van embedded 3D‑printing die aanwijzingen van moeder natuur volgt. Deze bio‑geïnspireerde benadering werd gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications als de studie “Snelle 3D‑printing van fijne, continue en zachte vezels via embedded solvent exchange”. Het gaat in op een snelle print, multi‑nozzle proces genaamd 3DPX (3D printing by solvent exchange).

Niet‑Newtonisch gel

De 3DPX‑methode combineert het gebruik van niet‑Newtonische gels met een nieuw printerontwerp om micron‑dunne filamentachtige structuren te printen. Opmerkelijk is dat het gel gebruikmaakt van solvent exchange om capillaire breuk door oppervlaktespanning te voorkomen. Hierdoor kan de printnozzle vrij bewegen dankzij het extra koppel, maar de dunne vezels ervaren het gel als een vaste stof, waardoor de benodigde ondersteuning wordt geboden.

3D‑printing bootst de natuur na

Bovendien leverde het gel superieure mechanische prestaties dankzij het gebruik van micron‑schaal draadbundels. Het vermindert beperkingen veroorzaakt door de interfaciale oppervlakteruwheid van de microgeldeeltjes.

Direct uitharden

De ingenieurs creëerden het gel met een mengsel van oplosmiddelen dat de inkt laat uitharden zodra het ermee in contact komt. Het directe uitharden hielp het printproces om ingewikkelde super‑dunne structuren te ondersteunen die met eerdere methoden en materialen onmogelijk zouden zijn geweest.

Embedded 3D‑printtest

Om hun theorie te testen bouwde het team een op maat gemaakte 3D‑printer. Het apparaat integreerde een precisiebewegingsplatform, een doseersysteem en een besturingscomputer, vergelijkbaar met de meeste commercieel verkrijgbare eenheden. Het belangrijkste verschil is dat het binnen een ondersteunend gel print met een viscoplastische vloeistof met opbrengst‑stress rheologie.

Opmerkelijk is dat het team zeven verschillende inkten testte om de beste optie te vinden. De selectie omvatte een reeks materialen, van thermoplastische elastomeren tot polystyreen en PVC. Extra tests onderzochten het gebruik van styreen‑ethyleen‑butadieen‑styreen blockcopolymeer, SEBS, en tolueen als oplosmiddel.

Resultaten van embedded 3D‑printing

De testresultaten toonden indrukwekkende mogelijkheden. Ze ontdekten dat de solvent exchange tussen de geëxtrudeerde inkt een snelle solidificatie bevorderde, waardoor meer ingewikkelde en complexe prints mogelijk waren. De printer van het team kon een binnendiameter van 5 µm realiseren met een glazen nozzle. Hetzelfde apparaat bereikte een resolutie van 1,5 micron in dunheid terwijl het vrije‑vorm trajecten volgde.

Voordelen van embedded 3D‑printing

Het vermogen om structuren te printen met zachte materialen met een diameter zo klein als één micron opent de deur naar een revolutie in de materiaalkunde. Materialen en structuren die gebruikmaken van dunne haarachtige structuren kunnen een nieuw niveau van structurele integriteit bieden.

Sneller

Deze methode van embedded 3D‑printing is sneller dan traditionele methoden dankzij de functie van direct uitharden. Concreet registreerde het team de solidificatie van het geëxtrudeerde polymeerfilament met een snelheid van 2,33 μm/s. Indrukwekkend is dat deze gegevens 500.000 keer sneller zijn dan concurrerende methoden.

Snelle productie

Bovendien opent het vermogen om parallel met meerdere nozzles te printen de deur naar grootschalige productie‑toepassingen. Meerdere nozzles kunnen worden ingesteld om te printen als een lopende band of om een complexe structuur te creëren. Deze structuren kunnen verschillende materialen integreren. Hierdoor kunnen ze elektrische circuits, schakelaars en nog veel meer printen.

Flexibiliteit

Het onderzoek toont aan dat 3DPX een breed scala aan materialen kan ondersteunen, waaronder verschillende commercieel verkrijgbare polymeren, oplosmiddelen en niet‑oplosmiddel componenten. Deze flexibiliteit maakt het proces gemakkelijker te integreren in de huidige productieprocessen.

Wat embedded 3D‑printtechnologie betekent voor halfgeleiders

Deze nieuwste benadering zou ingenieurs in staat stellen volledig actieve 3D‑geprinte halfgeleiders te creëren, gebruikmakend van recente doorbraken zoals volledig 3D‑geprinte resetbare zekeringen. Deze technologische doorbraak kan een ingrijpend effect hebben op de halfgeleiderindustrie. Uiteindelijk stelt het wetenschappers in staat de productie van deze apparaten betaalbaarder, efficiënter en capabeler te maken.

Embedded 3D‑printonderzoekers

Dr. Wonsik Eom van de afdeling Fiber Convergence Material Engineering aan de Dankook University in Zuid‑Korea werkte samen met een team van ingenieurs, waaronder MechSE‑professoren Sameh Tawfick en Randy Ewoldt, om deze nieuwe 3D‑printstudie aan het publiek te presenteren. In de toekomst zijn ze van plan de tests uit te breiden om nog meer materialen en gels te onderzoeken.

Bedrijven die de embedded 3D‑printindustrie leiden

Additieve productie heeft de afgelopen tien jaar een lange weg afgelegd. Tegenwoordig variëren verschillende printmethoden van het creëren van composietmaterialen voor ruimtevaartuigen tot het printen van menselijke organen en alles daartussenin. Hier is één bedrijf dat klaarstaat om elke 3D‑printvoorsprong te maximaliseren.

Materialise

Het in België gevestigde 3D‑printsoftware‑ en productiebedrijf Materialise (MTLS ) blijft een pioniersgeest op de markt. Het werd in 1990 opgericht door Wilfried Vancraen en Hilde Ingelaere om snelle prototypingopties aan fabrikanten te bieden. Indrukwekkend heeft dit bedrijf in de afgelopen drie decennia verschillende primeurs geïntroduceerd.

Tegenwoordig is de 3D‑printsoftware van Materialise populair onder fabrikanten vanwege het gebruik van modules. Specifiek zijn er modules voor het creëren van rasterstructuren en het nesten van onderdelen. Deze opties helpen ontwikkelaars lichtere en sterkere ontwerpen te maken en kunnen ideaal zijn voor het creëren van micron‑dunne structuren.

Materialise biedt producten aan in meerdere sectoren, variërend van de medische sector tot industriële toepassingen. Het wordt erkend als een van de toonaangevende 3D‑printaandelen voor beleggers. Als zodanig kan het een slimme toevoeging zijn aan de portefeuille van degenen die op zoek zijn naar een gerenommeerd 3D‑printaandeel met decennialange ervaring.

Embedded 3D‑printing – Snellere en lichtere computers

Er zijn talloze toepassingen voor ultradunne 3D‑gepatternde structuren. Wanneer men de wens van hardware‑ontwikkelaars bekijkt om volledige chips in één proces te kunnen printen, zal het onderzoek van dit team een waardevolle bron blijken te zijn voor de toekomst. Ten eerste opent dit onderzoek de deur naar vele doorbraken op het gebied van materiaalkunde en andere vakgebieden.

Leer meer over andere coole 3D‑print Nieuws.

Studieverwijzing:

^{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). Snelle 3D‑printing van fijne, continue en zachte vezels via embedded solvent exchange. Nature Communications, 16, 842. https://doi.org/10.1038/s41467-025-55972-1}