行业动态

电子、生物技术、汽车和航空航天领域对微型设备的需求激增，使人们对微型增材制造技术的发展越来越感兴趣。这种3D打印方法能以更快的速度和更低的成本生产出传统制造方法无法生产的微小零部件。在内部自行3D打印微型部件的制造商不会受到当今供应链中断的影响。

微型3D打印部件展示了Fabrica Group的Fabrica 2.0 Machine 3D打印机的功能（来源：Fabrica Group）

随着全球迈向5G带宽，这些高频和短波长意味着微小的天线和结构；随着微型半导体在我们身边的产品中占据一席之地，对微型热交换器的需求也在增长；随着医疗越来越针对病人，对制造个性化医疗设备和植入物（如支架）的需求也在增长。

尽管目前主要用于研究和原型设计，但微米级快速成型制造技术在终端应用领域大有可为，从可穿戴和嵌入式传感器到印刷电路板，再到活细胞3D打印，不一而足。它适用于各行各业，以下是目前的一些应用，更多详情请参见相关章节：谁在使用微型3D打印？

微型3D打印的应用：

电气元件

微芯片元件

微流体装置

药物输送微针

血管支架

微型模具

光学和光子学机电零件

微机电系统（MEMS）

微光机电系统（MOEMS）

微光学电子系统（MOES）

虽然传统制造技术（如微注塑、微加工和蚀刻）可以生产精密的微小零件，但这些工艺复杂且成本高昂（特别是对于原型、单件或小批量产品），而且能够完成这些工作的公司并不多。微米尺度的快速成型制造为传统制造提供了一种替代方案，其高分辨率和高精度零件的生产量甚至可达数十万件。如果您没有能力购买自己的机器，甚至还可以按需提供微型3D打印服务（如下图所示）。

让我们来看看微型3D打印的前沿技术、用途、机器和服务。

一、微型3D打印技术的基础知识

3D MicroPrint的金属3D缩微打印（来源：3D MicroPrint）

为了了解我们这里所说的微小类型，用于珠宝或医疗3D打印的市售专业3D打印机（如RapidShape I100+或Formlabs Form 3B）可以达到25-75微米（μm）左右的分辨率，但微型3D打印的分辨率要小得多。

微米级快速成型制造通常是指生产以个位数微米为单位的零件，最小层厚为5微米，分辨率为2微米。有些技术甚至可以打印出以纳米（nm）为单位的零件，纳米比微米小1000倍。作为参考，人类头发的平均宽度为75微米，人类DNA链的直径为2.5纳米。

如今，这项技术已广泛应用于豪华手表设计、航空航天、医疗技术等领域。

大多数微型3D打印是通过树脂打印机完成的，更确切地说，是通过光聚合反应完成的。不过，有些公司已经开始超越聚合物，进入金属领域，包括钢、铜和金。让我们来看看微添加制造技术的五大类。

Boston Micro Fabrication的3D打印零件（来源：BMF）

1、微立体光刻(μSLA)

该工艺属于还原聚合工艺。它涉及将感光材料（液体树脂）暴露在紫外线激光下。一般过程与大多数商业树脂打印机相同：将树脂倒入树脂槽中，将构建平台放入树脂中，激光逐层绘制3D零件的横截面，同时将平台放入树脂中。室。不同之处在于专用树脂、先进的激光器和附加的透镜，它们能够产生几乎令人难以置信的小光点。

2、投影微立体光刻(PµSL)

这种增材制造技术因其低成本、准确性、速度以及可使用的材料范围（包括聚合物、生物材料和陶瓷）而不断发展。它在从微流体和组织工程到微光学和生物医学微型设备的应用中显示出了潜力。

PµSL工艺与µSLA类似，不同之处在于PµSL使用投影仪发出的紫外光，而不是激光。它与您在Carbon等公司的3D打印机中看到的数字光处理(DLP)树脂3D打印技术非常相似。该技术允许使用微米级分辨率的紫外光闪光对整个液体聚合物层进行快速光聚合，因此速度明显更快。

这座塔中的每个香槟槽高400微米，由Microlight3D用TPP打印（来源：Microlight3D）

3、双光子聚合（2PP或TPP）

该技术已被证明可提供微型3D打印机中最高的精度。它被用于有前途的医疗创新，包括组织工程和医疗植入物，以及工业应用，包括微机械。但技术和材料仍然非常昂贵，而且打印机的速度可能比其他技术慢。

在此方法中，使用脉冲飞秒激光在特殊光敏树脂槽的深处描绘3D图案。我们不会在这里深入探讨涉及吸收和生成光子的科学杂草，但要知道该技术可实现小于1μm的分辨率，这被认为是纳米制造技术。

4、基于光刻的金属制造(LMM)

这种金属3D打印方法使用一些相同的光聚合原理，可以为手术工具和微机械零件等应用创建微型金属零件。在LMM中，金属粉末均匀分散在光敏树脂中，然后通过蓝光曝光选择性聚合。打印后，“绿色”部件的聚合物成分被去除，留下全金属“棕色”部件，并在熔炉中通过烧结过程完成。原料包括不锈钢、钛、钨、黄铜、铜、银和金。

5、电化学沉积

处于微型金属3D打印技术最前沿的是瑞士公司Exaddon，该公司开发了自己的金属微型3D打印工艺，不需要任何后处理。在此过程中，打印喷嘴将含有金属离子的液体通过微通道输送到打印表面上。这些离子溶解成固体金属原子，这些原子生长成更大的构建块（体素），直到物体完成。

3D MicroPrint金属3D打印零件（来源：3D MicroPrint）

6、微选择性激光烧结(μSLS)

这种基于粉末床熔融的增材制造本质上是小规模的选择性激光烧结（SLS），通常称为微激光烧结。虽然SLS通常指的是塑料工艺，但这里μSLS通常指的是金属激光烧结工艺。μSLS可以生产分辨率低于5μm且吞吐量大于60 mm 3/小时的真正3D金属零件。

在μSLS中，将一层金属纳米颗粒墨水涂覆到基材上，然后干燥以产生均匀的纳米颗粒层。接下来，使用数字微镜阵列图案化的激光将纳米颗粒加热并烧结成所需的图案。然后重复这组步骤以在μSLS系统中构建3D零件的每一层。

二、微型3D打印的优点和缺点

Boston Micro Fabrication的微型3D打印零件（来源：BMF）

优点

1、与传统制造相比速度更快。使用微注塑成型或微机械加工的传统制造工艺非常昂贵且耗时，因为它需要开发模具。从这个意义上讲，微型3D打印是一种经济高效的解决方案，适用于数千个甚至数十万个零件的应用。

2、微型3D打印是原型和大量最终使用零件的低成本选择。

3、设计可能性更大。与传统制造相比，微型3D打印能够生产出更复杂的设计，例如，通过打印包括晶格填充在内的复杂几何形状，生产出重量更轻的零件。

缺点

1、质量成本高。很难列出这种潜在有用的新技术的许多负面因素。尽管如此，目前微型3D打印的一个主要缺点是，高质量和功能性的应用在技术和材料方面都很昂贵，尽管仍然低于微机械加工。

2、目前，材料有些有限。虽然一些公司正在开发使用金属和其他材料的微型3D打印工艺，但目前该技术主要用于专用聚合物。

三、现在谁在使用微型3D打印？

Admat Sasu创始人兼首席执行官Jemmel Belkacem打印的微型3D打印模型（来源：Jemmel Belkacem）

如上所述，绝大多数微型3D打印机目前都位于大学实验室和研究中心，用于制造各种用于原型和实验的零件。有关他们工作的消息并不常被传出，但一旦传出，却可能令人瞠目结舌。

事实上，微型增材制造有如此多的创新应用正在开发中，该技术似乎正处于重大突破的边缘。下面我们将介绍一些微型3D打印的最新、最有趣的应用。

1、用于疫苗分发的3D打印微针贴片

Carbon联合创始人Joseph DeSimone的3D打印微针贴片（来源：北卡罗来纳大学教堂山分校）

斯坦福大学和北卡罗来纳大学教堂山分校的科学家于2021年9月创建了一种3D打印的微针贴片，可以让人们无痛地自行注射疫苗。

根据发表在《美国国家科学院院刊》上的一项在动物身上进行的研究，发现这种针贴的保护作用比用针刺进手臂肌肉的典型疫苗注射强10倍。

微针贴片的增材制造技术来自3D打印机制造商Carbon。尽管微针贴片已经研究了数十年，但最新一组科学家的工作克服了过去的一些挑战，特别是轻松定制贴片的能力以及打印保持清晰度的贴片的能力。

2、3D打印血管支架

Boston Micro Fabrication的3D打印血管支架（来源：BMF）

植入冠状动脉以改善心脏血流的心血管支架有多种尺寸，但3D打印支架可以专门匹配每位患者的独特需求。上图所示的支架是用Boston Micro Fabrication的MicroArch P140打印的，尺寸约为15.4 x 3.4毫米。

尽管大部分仍处于实验阶段，但3D打印支架的能力预计将改善尺寸选择、保留基本解剖结构，并使直径和形状能够满足患者个体的需求。该过程还可以在外科医生的指导下现场制作单个支架，从而减少库存并节省资金。

去年，澳大利亚国家科学机构CSIRO的研究人员推出了3D打印的定制支架，用于治疗狭窄或阻塞的动脉。这些用于外周动脉疾病患者的自膨胀式镍钛诺支架可以缩短康复时间。

3、3D打印复杂的消费品

通过3D MicroPrint采用微型激光烧结制造的表盘和冠轮（来源：3D MicroPrint）

说到微机械，人们首先想到的可能是精美的手表，事实上，微型3D打印在手表和珠宝制造中占有一席之地。从纯粹的装饰设计到使制造商能够在其作品中嵌入微型水印，微型3D打印在钟表市场上的追随者越来越多，特别是对于定制产品和不再可用的制造备件而言。

4、半导体缺陷修复

(来源:Pall Corp.)

提高半导体芯片生产的产量是微芯片制造商最持久的目标之一，但损坏的芯片或模具会增加生产过程中的故障率。据微型3D打印机制造商Exaddon称，通过金属微型3D打印，可以直接在模具上修复半导体缺陷。高质量纯金属可以以亚微米精度直接沉积到所需位置。

5、快速3D打印微流体研究设备

对于研究微尺度液体和气体的物理和化学性质的研究人员来说，微流体装置的使用很常见。这些设备还可用于根据蛋白质表达对细胞进行分类，这是多伦多大学凯利实验室正在进行的研究。但该实验室的新功能是微型3D打印机，它使研究人员能够打印自己的微流体设备，而与从供应商处订购设备相比，成本和时间仅为一小部分。事实上，拥有一台打印机使实验室能够在20分钟内打印出以前需要三天才能使用光刻技术在外部设备订购的内容。

将这些项目添加到如上所述的新材料开发中，以及纳米级打印方面的突破，很明显，微型3D打印有可能彻底改变从医学到增材制造本身的领域。

四、微型3D打印机