Innebygd 3D-utskrift etterligner naturen, og åpner nye muligheter for halvledere

Produsenter har forbedret sine metoder for innebygd 3D-utskrift de siste fem årene. Likevel gjenstår en begrensning som ingen har klart å eliminere – evnen til raskt å skrive ut ultratynne strukturer, som de som finnes i naturen. På grunn av deres mikroskopiske egenskaper kan disse strukturene bygges utrolig sterke og robuste, noe som gjør dem ideelle for dagens høyytelsesapplikasjoner.

Heldigvis kan et innovativt forskerteam ha låst opp en ny 3D-utskriftsmetode som etterligner naturen, og åpner døren for en rekke nye bruksområder, potensielt inkludert produksjon av innebygde halvledere. Her er det du trenger å vite.

Etterligne naturen

Natur har mange bruksområder for tynne fiberrike strukturer som hår eller de tynne blodårene som gjør at musklene dine får oksygen gjennom blodstrømmen. For noen dyr kan disse tynne hårene fungere som sensorer i form av værhår. Hos andre arter, som edderkopper, kan de brukes som felle eller som en måte å bygge et hjem på.

Øgler og mange andre dyr bruker hårlignende strukturer for å klatre opp vertikale vegger. Det finnes også tilfeller der tynne hårlignende strukturer brukes som forsvarsmekanisme. Hagfisken vil skyte ut en fiberrik gel på rovdyr som dekker gjellene og øynene deres, og dermed kveler og blender potensielle rovdyr.

Ingeniører har lenge ønsket å replikere mange av disse naturlige forekomstene, men begrensninger i dagens produksjonsprosesser har gjort det umulig. Nylige fremskritt innen høyoppløselig innebygd 3D-utskriftsteknologi har bidratt til å løse noen av problemene, men mange gjenstår. Nå lover en ny 3D-utskriftsmetode å levere de manglende brikkene i puslespillet, og muliggjør en ny bølge av ultrafine designstrukturer.

Tradisjonelle 3D-utskriftsmetoder

Tradisjonell 3D-utskrift bruker en dyse og et løsningsmiddel som ekstruderes lag for lag i et åpent miljø. Materialet tørkes deretter ved hjelp av tid, varme eller til og med lasere. Nylige fremskritt har hjulpet tradisjonell 3D-utskrift med å oppnå evnen til å produsere tynnere ekstruderinger, men det mangler fortsatt mye når det gjelder å etterligne naturen.

Ulemper

De viktigste ulempene med tradisjonelle 3D-utskriftsmetoder inkluderer problemer som den generelle orienteringen av utskriften. Utskriften må plasseres slik at hvert lag kan støtte det påfølgende laget. I mange tilfeller må støttestrukturer legges til og fjernes etter at utskriften har tørket, noe som øker arbeidsmengden og tiden.

Tynnheten på de fine hårlignende utskriftene som ingeniører ønsker å lage, har vist seg umulig å gjenskape i åpent luft. Den strukturelle integriteten, gravitasjonen og andre krefter får de mikrotunne støttene til å knekke. En løsning er å skrive ut i et stoff i stedet for i luft.

Innebygd 3D-utskrift

Innebygd 3D-utskrift bruker et annet medium som gir støtte til strukturen mens den herder og stivner. Innebygde utskriftssystemer kan bruke hydrogel som gjør at dyse kan bevege seg fritt, men holder utskriften på plass mens den tørker. Denne tilnærmingen løser problemene knyttet til gravitasjonsindusert deformasjon av utskrevne strukturer under direkte blekkskriving.

Innebygd 3D-utskrift har noen ekstra fordeler. For det første er hydrogelblandingen gjenbrukbar, noe som betyr at skrivere ikke trenger å kjøpe mer for hver utskrift. De kan også bruke en rekke forskjellige filamenter for å lage komplekse strukturer siden prosessen gir støtte under herdingsprosessen.

Ulemper med innebygd 3D-utskrift

Denne metoden for innebygd 3D-utskrift har vist seg mer effektiv for å skrive ut visse design og tynnere ekstruderinger, som helikale fjærer. Imidlertid er evnen til å skrive ut natur-lignende fibre begrenset av filamentbrudd på grunn av kapillærvirkning. Tester viser at alt under en seksten mikron diameter ligger utenfor rekkevidden til dagens metoder for innebygd 3D-utskrift på grunn av filamentbrudd fra overflatespenning.

Studie av innebygd 3D-utskrift

Inspirert av naturen introduserte en gruppe ingeniører fra Dankook University i Sør‑Korea og andre en ny metode for innebygd 3D‑utskrift som tar inspirasjon fra moder natur. Denne bio‑inspirerte tilnærmingen ble publisert i tidsskriftet Nature Communications som studien «Fast 3D printing of fine, continuous, and soft fibers via embedded solvent exchange». Den går inn på en rask utskriftsprosess med flere dyser, kalt 3DPX (3D‑utskrift ved løsningsutveksling).

Non-Newtonsk gel

3DPX‑metoden kombinerer bruk av non‑Newtonske geler med en ny skriverdesign for å skrive ut mikron‑tune filamentøse strukturer. Merk at gelen bruker løsningsutveksling for å hindre kapillærbrudd fra overflatespenning. Dermed kan dyse bevege seg fritt på grunn av ekstra dreiemoment, men de tynne fibrene oppfatter gelen som en fast substans, og gir nødvendig støtte.

3D-utskrift etterligner naturen

I tillegg ga gelen overlegen mekanisk ytelse takket være bruken av mikron‑skala trådbunter. Den reduserer begrensninger på grunn av den interfasiale overflateruheten til mikrogelpartiklene.

Umiddelbar herding

Ingenørene laget gelen med en blanding av løsningsmidler som får blekket til å størkne så snart det kommer i kontakt med den. Den umiddelbare herdingen hjalp utskriftsprosessen med å støtte intrikate supertunne strukturer som ville vært umulige med tidligere metoder og materialer.

Test av innebygd 3D-utskrift

For å teste teorien deres laget teamet en spesialbygd 3D‑printer. Enheten integrerte et presisjonsbevegelsesstagesystem, dispensingsystem og kontrollcomputer, lik de fleste enheter som finnes kommersielt. Hovedforskjellen er at den skriver ut innenfor en støttende gel med viskoplastisk flyteegenskapsrheologi.

Merkbart testet teamet 7 forskjellige blekk for å finne det beste alternativet. Utvalget inkluderte et spekter av materialer fra termoplastiske elastomerer til polystyren og PVC. Ytterligere tester vurderer bruk av styren‑etylen‑butylen‑styren blokk‑kopolymer, SEBS, og toluen som løsningsmiddel.

Resultater fra innebygd 3D-utskrift

Testresultatene viste imponerende evner. De fant at løsningsutvekslingen mellom det ekstruderte blekket fremmet rask størkning, og støttet mer intrikate og komplekse utskrifter. Teamets printer klarte å oppnå en indre diameter på utskriftene på 5 µm ved bruk av en glassdyse. Den samme enheten oppnådde en tynnhetsoppløsning på 1,5 mikron mens den fulgte friformsbaner.

Fordeler med innebygd 3D-utskrift

Evnen til å skrive ut strukturer ved bruk av myke materialer med en diameter så liten som én mikron åpner døren for en revolusjon innen materialvitenskap. Materialer og strukturer som utnytter tynne hårlignende strukturer kan gi et nytt nivå av strukturell integritet.

Raskere

Denne metoden for innebygd 3D‑utskrift er raskere enn tradisjonelle metoder på grunn av den umiddelbare herdingsfunksjonen. Spesielt registrerte teamet størkingen av den ekstruderte polymerfilamentet med en hastighet på 2,33 μm/s. Imponerende viser dette tallet at metoden er 500 000 ganger raskere enn konkurrerende metoder.

Rask produksjon

I tillegg åpner evnen til å skrive ut med flere dyser parallelt døren for storskalaproduksjonsapplikasjoner. Flere dyser kan settes opp til å skrive ut som en samlebånd eller for å lage en kompleks struktur. Disse strukturene kan integrere ulike materialer. Dermed kan de skrive ut elektriske kretser, brytere og mye mer.

Fleksibilitet

Forskningen viser at 3DPX kan støtte et bredt spekter av materialer, inkludert flere kommersielt tilgjengelige polymerer, løsningsmidler og ikke‑løsningsmidler. Denne fleksibiliteten gjør prosessen enklere å integrere i dagens produksjonsprosesser.

Hva teknologien for innebygd 3D-utskrift betyr for halvledere

Denne siste tilnærmingen vil tillate ingeniører å lage fullt aktive 3D‑utskrevne halvledere ved å utnytte nylige gjennombrudd som fullt 3D‑utskrevne tilbakestillbare sikringer. Dette teknologiske gjennombruddet kan ha en gjennomgripende effekt på halvlederindustrien. Endelig gjør det det mulig for forskere å gjøre produksjonen av disse enhetene mer rimelig, effektiv og kapabel.

Forskere innen innebygd 3D-utskrift

Dr. Wonsik Eom fra avdelingen for Fiberkonvergens Materialteknikk ved Dankook University i Sør‑Korea arbeidet sammen med et team av ingeniører, inkludert MechSE‑professorene Sameh Tawfick og Randy Ewoldt, for å bringe denne nye 3D‑utskriftsstudien til publikum. I fremtiden planlegger de å utvide testingen for å undersøke enda flere materialer og geler.

Selskaper som leder bransjen for innebygd 3D-utskrift

Additiv produksjon har kommet langt de siste ti årene. I dag spenner flere typer utskriftsmetoder fra å lage komposittmaterialer for romfartøy, helt til å skrive ut menneskelige organer og alt imellom. Her er ett selskap som er klar til å maksimere enhver fremgang innen 3D‑utskrift.

Materialise

Det belgiske 3D‑utskriftsprogramvare‑ og produksjonsfirmaet Materialise (MTLS ) forblir en pionerånd i markedet. Det ble grunnlagt av Wilfried Vancraen og Hilde Ingelaere i 1990 for å tilby raske prototypeløsninger til produsenter. Imponerende har dette firmaet introdusert flere nyvinninger de siste tre tiårene.

I dag er Materialises 3D‑utskriftsprogramvare populær blant produsenter på grunn av bruken av moduler. Spesielt finnes det moduler for gitteroppretting og delnesting. Disse alternativene hjelper utviklere med å lage lettere og sterkere design og kan være ideelle for å lage mikron‑tune strukturer.

Materialise har produkttilbud på tvers av flere industrier, fra medisinsk sektor til industrielle bruksområder. Det er anerkjent som en av de ledende 3D‑utskriftsaksjealternativene for tradere. Som sådan kan det være et smart tillegg til porteføljen til de som søker en anerkjent 3D‑utskriftsaksje med flere tiår med erfaring.

Innebygd 3D-utskrift – raskere og lettere datamaskiner

Det finnes mange bruksområder for ultratynne 3D‑mønstrede strukturer. Når du ser på ønsket fra maskinvareutviklere om å kunne skrive ut hele brikker i én prosess, vil forskningen utført av dette teamet vise seg å være en verdifull ressurs fremover. For det første åpner denne forskningen døren for mange gjennombrudd innen materialvitenskap og andre felt.

Lær om andre kule 3D‑utskrifts Nyheter.

Studierreferanse:

^{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). Rask 3D-utskrift av fine, kontinuerlige og myke fibre via innebygd løsningsutveksling. Nature Communications, 16, 842. https://doi.org/10.1038/s41467-025-55972-1}