Inbäddad 3D-utskrift efterliknar naturen och öppnar nya möjligheter för halvledare

Tillverkare har förbättrat sina inbäddade 3D-utskriftsmetoder under de senaste fem åren. Ändå kvarstår en begränsning som ingen har lyckats eliminera – förmågan att snabbt skriva ut ultratunna strukturer, som de som finns i naturen. På grund av deras mikroskopiska egenskaper kan dessa strukturer byggas otroligt starka och tåliga, vilket gör dem idealiska för dagens högpresterande tillämpningar.

Lyckligtvis kan ett innovativt forskarlag ha låst upp en ny 3D-utskriftsmetod som efterliknar naturen, vilket öppnar dörren för en rad nya användningsområden, potentiellt inklusive skapandet av inbäddade halvledare. Här är vad du behöver veta.

Efterlikna naturen

Natur har många användningsområden för tunna fibrösa strukturer som hår eller de tunna blodkärlen som gör att dina muskler får syre via blodomloppet. För vissa djur kan dessa tunna hår fungera som sensorer i form av morrhår. Hos andra arter, som spindlar, kan de användas som fälla eller som ett sätt att bygga ett bo.

Ödlor och många andra djur använder hårliknande strukturer för att klättra på vertikala väggar. Det finns även fall där tunna hårliknande strukturer används som ett försvarsmekanism. Hagfisken sprutar ut en fibrös gel på rovdjur som täcker deras gälar och ögon, vilket i praktiken kväver och förblindar eventuella rovdjur.

Traditionella 3D-utskriftsmetoder

Traditionell 3D-utskrift använder en munstycke och ett lösningsmedel som extruderas lager för lager i en öppen luftmiljö. Materialet torkas sedan med tid, värme eller till och med laser. Nya framsteg har hjälpt traditionell 3D-utskrift att kunna producera tunnare extruderingar, men det saknas fortfarande mycket när det gäller att efterlikna naturen.

Nackdelar

De största nackdelarna med traditionella 3D-utskriftsmetoder inkluderar problem som den övergripande orienteringen av utskriften. Utskriften måste placeras så att varje lager kan stödja nästa lager. I många fall måste stödstrukturer läggas till och tas bort efter att utskriften har torkat, vilket ökar den totala arbetsbelastningen och tiden.

Tunnheten hos de fina hårliknande utskrifterna som ingenjörer försöker skapa har visat sig omöjlig att reproducera i öppen luft. Den strukturella integriteten, gravitationen och andra krafter får de mikrotunna stödstrukturerna att buckla. En lösning är att skriva ut i ett ämne istället för i luft.

Inbäddad 3D-utskrift

Inbäddad 3D-utskrift använder ett annat medium som hjälper till att ge stöd åt strukturen medan den härdar och stelnar. Inbäddade utskriftsystem kan använda hydrogeler som möjliggör att skrivmunstycket rör sig fritt men håller utskriften på plats medan den torkar. Detta tillvägagångssätt löser problemen med gravitationsinducerad deformation av utskrivna strukturer under direkt bläckskrivning.

Inbäddad 3D-utskrift har ytterligare fördelar. För det första är hydrogelmixen återanvändbar, vilket betyder att skrivare inte behöver köpa mer för varje utskrift. De kan också använda en mängd olika filament för att skapa komplexa strukturer eftersom processen ger stöd under härdningsprocessen.

Nackdelar med inbäddad 3D-utskrift

Denna inbäddade 3D-utskriftsmetod har visat sig vara mer effektiv för att skriva ut vissa designer och tunnare extruderingar, som helixfjädrar. Dess förmåga att skriva ut naturliknande fibrer är dock begränsad av filamentbrott på grund av kapillärverkan. Tester visar att allt under en diameter på sexton mikrometer ligger utanför räckhåll för nuvarande inbäddade 3D-utskriftsmetoder på grund av filamentbrott från ytspänning.

Studie om inbäddad 3D-utskrift

Inspirerade av naturen introducerade en grupp ingenjörer från Dankook University i Sydkorea och andra en ny metod för inbäddad 3D-utskrift som tar ledning av moder natur. Detta bioinspirerade tillvägagångssätt publicerades i tidskriften Nature Communications som studien “Fast 3D printing of fine, continuous, and soft fibers via embedded solvent exchange.” Den går in på en snabb utskrift, multi-munstycke, process kallad 3DPX (3D-utskrift genom lösningsmedelsutbyte).

Icke-Newtonsk gel

3DPX-metoden kombinerar användningen av icke-Newtonska geléer med en ny skrivardesign för att skriva ut mikrontunna filamentösa strukturer. Noterbart använder gelen lösningsmedelsutbyte för att hindra kapillärbrott från ytspänning. På så sätt tillåts skrivmunstycket att röra sig fritt tack vare dess extra vridmoment, men de tunna fibrerna uppfattar gelen som en solid, vilket ger nödvändigt stöd.

3D-utskrift efterliknar naturen

Dessutom gav gelen överlägsen mekanisk prestanda tack vare användningen av mikron-skala trådbuntar. Detta minskar begränsningar på grund av den interfaciala ytstrukturens ojämnhet hos mikrogelpartiklarna.

Omedelbar härdning

Ingenjörerna skapade gelen med en blandning av lösningsmedel som får bläcket att stelna så snart det kommer i kontakt med den. Den omedelbara härdningen hjälpte utskriftsprocessen att stödja intrikata supertunna strukturer som skulle ha varit omöjliga att skapa med tidigare metoder och material.

Test av inbäddad 3D-utskrift

För att testa sin teori skapade teamet en specialbyggd 3D-skrivare. Enheten integrerade ett precisionsrörelsestagssystem, dispensersystem och en styrdator, liknande de flesta enheter som finns kommersiellt. Den huvudsakliga skillnaden är att den skriver ut inom en stödgel med viskoplastisk flytande material med avkastningsspänning.

Speciellt testade teamet 7 olika bläck för att hitta det bästa alternativet. Urvalet omfattade en rad material från termoplastiska elastomerer till polystyren och PVC. Ytterligare tester granskar användningen av styrenetylenbutylenstyrenblockkopolymer, SEBS och toluen som lösningsmedelsalternativ.

Resultat av inbäddad 3D-utskrift

Testresultaten visade imponerande kapaciteter. De fann att lösningsmedelsutbytet mellan det extruderade bläcket underlättade snabb stelning, vilket stödde mer intrikata och komplexa utskrifter. Teamets skrivare kunde uppnå en innerdiameter på utskrifterna på 5 µm med ett glasmunstycke. Samma enhet uppnådde en tunnhetsupplösning på 1,5 mikron medan den följde fria former.

Fördelar med inbäddad 3D-utskrift

Förmågan att skriva ut strukturer med mjuka material med en diameter så liten som en mikron öppnar dörren för en materialvetenskaplig revolution. Material och strukturer som utnyttjar tunna hårliknande strukturer kan erbjuda en ny nivå av strukturell integritet.

Snabbare

Denna metod för inbäddad 3D-utskrift är snabbare än traditionella metoder på grund av den omedelbara härdningsfunktionen. Specifikt registrerade teamet stelningen av det extruderade polymerfilamentet med en hastighet på 2,33 μm/s. Imponerande nog är detta 500 000 gånger snabbare än konkurrerande metoder.

Snabb tillverkning

Dessutom öppnar möjligheten att skriva ut med flera munstycken parallellt dörren för storskaliga tillverkningsapplikationer. Flera munstycken kan konfigureras för att skriva ut som ett löpande band eller för att skapa en komplex struktur. Dessa strukturer kan integrera olika material. På så sätt kan de skriva ut elektriska kretsar, strömbrytare och mycket mer.

Flexibilitet

Forskningen visar att 3DPX kan stödja ett brett spektrum av material inklusive flera kommersiellt tillgängliga polymerer, lösningsmedel och icke-lösningsmedelskomponenter. Denna flexibilitet gör processen enklare att integrera i nuvarande tillverkningsprocesser.

Vad inbäddad 3D-utskriftsteknik betyder för halvledare

Detta senaste tillvägagångssätt skulle möjliggöra för ingenjörer att skapa fullt aktiva 3D-utskrivna halvledare genom att utnyttja senaste genombrotten såsom fullt 3D-utskrivna återställningsbara säkringar. Detta tekniska genombrott kan få en genomslagseffekt på halvledarindustrin. Det gör det slutligen möjligt för forskare att göra tillverkningen av dessa enheter mer prisvärd, effektiv och kapabel.

Forskare inom inbäddad 3D-utskrift

Dr. Wonsik Eom från avdelningen för Fiberkonvergensmaterialteknik vid Dankook University i Sydkorea arbetade tillsammans med ett team av ingenjörer inklusive MechME-professorerna Sameh Tawfick och Randy Ewoldt för att föra denna nya 3D-utskriftsstudie till allmänheten. I framtiden planerar de att utöka testerna för att undersöka ännu fler material och geléer.

Företag som leder branschen för inbäddad 3D-utskrift

Additiv tillverkning har kommit långt under det senaste decenniet. Idag sträcker sig flera typer av utskriftsmetoder från att skapa kompositematerial för rymdfarkoster till att skriva ut mänskliga organ och allt däremellan. Här är ett företag som är redo att maximera alla 3D-utskriftsframsteg.

Materialise

Det belgiska 3D-utskriftsprogramvaru- och tillverkningsföretaget Materialise (MTLS ) förblir en pionjäranda på marknaden. Det grundades av Wilfried Vancraen och Hilde Ingelaere år 1990 för att erbjuda snabba prototypsalternativ till tillverkare. Imponerande nog har detta företag introducerat flera förstaplatser under de senaste tre decennierna.

Idag är Materialises 3D-utskriftsprogramvara populär bland tillverkare på grund av dess användning av moduler. Specifikt finns det moduler för gitterkonstruktion och delnestning. Dessa alternativ hjälper utvecklare att skapa lättare och starkare designer och kan vara idealiska för skapandet av mikrotunna strukturer.

Materialise har produktutbud över flera industrier, från den medicinska sektorn till industriella användningsområden. Det är erkänt som ett av de ledande 3D-utskriftsaktiealternativen för handlare. Därför kan det vara ett smart tillskott till portföljen för dem som söker en ansedd 3D-utskriftsaktie med årtionden av erfarenhet.

Inbäddad 3D-utskrift – snabbare och lättare datorer

Det finns så många användningsområden för ultratunna 3D-mönstrade strukturer. När man undersöker hårdvaruutvecklares önskan att kunna skriva ut hela chip i en enda process, visar forskningen från detta team sig vara en värdefull resurs framöver. För det första öppnar denna forskning dörren för många genombrott inom materialvetenskap och andra områden.

Läs om andra spännande 3D-utskriftsnyheter.

Studierreferens:

^{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). Snabb 3D-utskrift av fina, kontinuerliga och mjuka fibrer via inbäddat lösningsmedelsutbyte. Nature Communications, 16, 842. https://doi.org/10.1038/s41467-025-55972-1}