Нано/микро 3d печать повысит спрос на высокоточное производство

Нано/микро 3d печать с высоким разрешением может удовлетворить спрос на высокоточное производство мелких компонентов.

Традиционное производство сталкивается с серьезными проблемами, если речь заходит о необходимости быстро изготовить мелкие компоненты из сложных и мелких структур, требующих тончайшей обработки – к примеру, при изготовлении миниатюрных коннекторов или микролинз для эндоскопов. Такая продукция требует тончайшей обработки, которая обеспечит точный контур поверхности и сможет воспроизвести сложную внутреннюю структуру изделия – это всегда стоит очень дорого. Новейшая технология нано/микро 3d печати позволит устранить эти препятствия за счет более простой технологии производства и более быстрого изготовления этих сложных деталей. Эта технология также позволит удовлетворить растущий спрос на высокоточное производство и в других областях.

Согласно прогнозам исследовательской фирмы Technavio, вплоть до 2021 года мировой рынок услуг 3d печати будет ежегодно расти на 44%. Растущая потребность в высокоточном производстве закономерно способствует росту спроса на услуги высокоточной 3d печати. Прогнозы Transparency Market Research свидетельствуют о том, что, к примеру, среднегодовой темп роста мирового рынка очков до 2018 года составит 3,7% и достигнет отметки в 130 миллиардов долларов США.

«Многие производственные проблемы теперь можно будет решить при помощи этой новой, быстрой и дешевой технологии, так что мы видим потенциальный рынок для деталей, изготовленных по технологии микропечати», – говорит Уильям Пламмер (William Plummer), старший научный сотрудник и член совета директоров компании BMF Material Technology. Этот стартап базируется в Бостоне и Шеньжене и производит нано/микро 3d принтеры и материалы, а также специальные продукты для сторонних компаний, использующих их оборудование.

И хотя ряд известных стартапов, занимающихся 3d печатью, включая Desktop Metal и Carbon, уже привлекли серьезное внимание на рынке, они скорее ориентированы на производство изделий бóльших размеров. По мере развития технологии акцент стал смещаться на создание более мелких и сложных компонентов.

Нано/микро 3d печать способна создавать мелкие и сложные детали. Это наиболее точное воплощение возможностей технологии 3d печати, и данная технология готова совершить переворот в индустрии производства компонентов высокой точности. Теперь компании вроде BMF поднимают ее на новый уровень, предлагая принтеры, которые работают с разрешением в микрометры/нанометры и способны обеспечивать крупносерийное производство. По словам Пламмера, BMF отличается точностью своего оборудования и уникальным выбором материалов и процессов: «Точная трехмерная технология печати BMF позволяет изготавливать небольшие механические детали, включая крошечные пружины, специальные электрические соединительные формы и даже сложные устройства, такие как сердечные стенты».

Как это устроено?

Немногие технологические достижения сумели настолько взбудоражить умы широких масс и вдохновить инженерную и творческую мысль, насколько это удалось 3d печати – особенно нано/микро печати. Теперь создать физический трехмерный объект можно из обычного цифрового файла. И хотя эта технология не нова, последние достижения науки превратили ее в наиболее практичный способ создания прототипов, одноразовых компонентов и предметов, которые слишком дорого или сложно производить при помощи традиционных методов, таких как литье под давлением и ЧПУ (компьютерное числовое управление).

BMF использует технику под названием Pulse (Projection Micro Litho Stereo Exposure — проецируемая микро стереолитография), когда изображение последовательно проецируется через редукционную линзу для воздействия на светочувствительную фотополимерную смолу. Когда уменьшенный фрагмент изображения фокусируется на фоточувствительной смоле, ультрафиолетовый заставляет материал твердеть – этот процесс называется фотосшиванием. Под воздействием света нужная область затвердевает в трехмерную форму. Проецируемые световые потоки определяются трехмерными изображениями, которые выделяются из созданной компьютером общей трехмерной модели. В сочетании с различными методами последующей обработки BMF способны производить широкий спектр продукции, включая изделия из керамики и оптические линзы.

Основное различие между нано/микро 3d печатью и «традиционной» трехмерной печатью заключается в степени ее точности и разрешения. Разрешение тут исчисляется в мезо, микро и нано (т.е. одна миллиардная метра) уровнях. Такая точность трехмерной печати позволяет воспроизводить по-настоящему микроскопические компоненты, уровень допусков которых невозможно достичь с помощью обычной трехмерной печати.

В последние годы трехмерная печать достигла того уровня, когда потребители могут запросто приобрести трехмерный принтер в районе 200 – 500 долларов США. Тем не менее, эти недорогие принтеры мало похожи на сложные нано/микро трехмерные аналоги, которые компании вроде BMF создают и используют для производства различных компонентов.

Точное производство

В мае 2016 года BMF вышла на рынок нано/микро 3d печати высокого разрешения, покинув стены лаборатории Nanophotonics and 3d Nanomanufacturing Laboratory при Массачусетском технологическом институте. Разработки компании основаны на той же технологии, которую издание MIT Technology Review назвало одной из 10 самых передовых в 2014 и 2015 годах. (На самом деле, Николас Фанг (Nicholas Fang), соучредитель  и главный научный сотрудник BMF, был руководителем той самой команды по нано/микро 3d разработкам, которую MIT Technology Review отметило в 2015 году.)

BMF занимается высокоточным производством мелких компонентов, но в крупных объемах, которые требуются в таких отраслях как медицина. «BMF может обеспечивать большие объемы 3d печати благодаря небольшим размерам компонентов, которые мы производим», – говорит Хэ Сяонин (Xiaoning He), соучредитель и генеральный директор компании. Небольшие размеры позволяют одновременно печатать большое количество компонентов. Например, 3d принтеры BMF могут производить сотни линз диаметром около одного миллиметра в час, что равняется сотням тысяч штук в год – такие объемы способны удовлетворить ажиотажный спрос со стороны производителей эндоскопов. Кроме того, каждая отдельная деталь в партии компонентов может быть изготовлена ​​на заказ независимо от количества производимых компонентов. Это удовлетворит требованиям промышленных заказчиков, которым требуются мелкие высокоточные компоненты.

Инновационная технология

Используя свой инновационный подход, команда BMF обратила свой взор на оптическую промышленность. Ежегодный объем рынка оптических очков в одном только Китае составляет 12 миллиардов долларов. Большинство очков не достаточно точно соответствуют потребностям и особенностям отдельно взятого человека – за основу берутся стандартные решения. «Продвинутые очки, в которых используются так называемые freeform-линзы, достаточно дороги», – говорит Йи Чжэнь (Yi Zhen), заместитель директора отдела передачи медицинских технологий Пекинского института офтальмологии Пекинской больницы Тонгрен. «К примеру, розничная цена пары персональных freeform-линз (с использованием традиционного производства) может достигать 1300 долларов США».

«Человеческий глаз – это сложный орган, и это не идеальная оптическая система. Не существует двух одинаковых пар глаз», – говорит Чжэнь. «Однако традиционные линзы изготавливаются из готовых заготовок-полуфабрикатов, которые производятся на заводе в массовом количестве. Индивидуальные freeform-линзы могут избавить владельцев очков от необходимости идти на компромиссы, приобретая традиционные стандартизированные линзы. Для производства традиционных индивидуальных freeform-линз требуется дорогостоящее оборудование … так что большинство людей не могут себе позволить их приобрести. Таким образом, большинство пациентов не могут достичь идеальной коррекции зрения, и их зрение продолжает ухудшаться ».

Пекинская больница Tongren является крупнейшей офтальмологической клиникой в Китае – ее ежегодно посещает около миллиона пациентов. Профессор Тонгрена Нинли Ванг (Ningli Wang) и члены его команды объединили усилия со специалистами BMF в попытке наладить производство недорогих индивидуальных freeform-линз в соответствии с потребностями каждого человека. Команда успешно разработала и изготовила прототипы сложных индивидуальных линз со следующими конструктивными особенностями:

• Торический дизайн, который способствует коррекции астигматизма и сводит к минимуму аберрации;
• Асферический дизайн, который корректирует близорукость и уменьшает толщину края линзы;
• Дизайн для коррекции периферической дефокусировки, который контролирует развитие миопии у детей.

Традиционные freeform-линзы сложны в изготовлении и отличаются высокой ценой, а с технологией BMF для их производства потребуется всего около четырех часов, при этом стоимость линзы останется на прежнем уровне. «При более низких системных издержках и более высокой скорости производства напечатанные с помощью 3d принтера линзы произведут революцию в индустрии индивидуальных очковых линз для офтальмологии», – уверен Мо Жали (Mo Jalie), старший научный сотрудник и член консультативного совета BMF.

Технология BMF может произвести переворот и во многих других областях офтальмологии, в том числе и в производстве индивидуальных коррекционных контактных линз, которые рассчитаны на пациентов со сложными аберрациями после таких проблем как трансплантация роговицы, кератоконус (прогрессирующая болезнь глаз, при которой обычно круглая роговица искажается в конусообразную форму) и нарушениями, вызванными внешними повреждениями. «Трехмерная печать для индустрии оптических линз – это то же, что цифровая печать для издательской индустрии», – говорит Ванг. «Эта новая технология обеспечивает более быструю, дешевую, гибкую и точную работу с линзами.

Новые производственные измерения

Сяонин утверждает, что нано/микро 3d печать может применяться для производства множества других высокоточных изделий, таких как сердечные стенты, эндоскопические линзы и специальные электрические соединители. В настоящее время для формирования сложной внутренней структуры сердечных стентов используется лазерная обработка. 3d печать может без проблем создавать нужную структуру и конструкции более сложных форм, при этом затраты по сравнению с традиционными методами производства будут значительно ниже.

Электрические соединители также становятся все меньше и сложнее. Технология нано/микро 3d печати дает инженерам надежный инструмент для разработки сложных коннекторов нестандартной формы. Сяонин говорит, что BMF получили заказы от представителей многих других областей, включая компании, связанные с созданием высокоточных керамических компонентов.

Подобно любой новой технологии, нано/микро 3d печать становится более точной, производительной и дешевой. Она способна обеспечить большую точность, при этом такая печать значительно дешевле, быстрее и проще, чем традиционные методы, предлагающие аналогичные характеристики.

«Мировой рынок высокоточных деталей очень требовательный и прибыльный. И в большинстве случаев, традиционные технологии тут просто не работают», – поясняет Сяонин. Когда он говорит о проблемах, связанных с изготовлением микрокомпонентов, он цитирует популярную фразу «Иногда мы говорим: «Чем меньше, тем сложнее»