Robotik är ett område där små volymer av avancerade sensorer nu kan produceras med 3D-utskrift. Kredit:David Callahan
En nyutvecklad 3D-utskriftsteknik skulle kunna användas för att kostnadseffektivt producera skräddarsydda elektroniska "maskiner" i storleken av insekter, vilket skulle kunna möjliggöra avancerade tillämpningar inom robotik och medicinsk utrustning.
Framför allt kan genombrottet vara en potentiell spelväxlare för tillverkning av skräddarsydda chipbaserade mikroelektromekaniska system (MEMS). Dessa minimaskiner massproduceras i stora volymer för hundratals elektroniska produkter, inklusive smartphones och bilar, där de ger positioneringsnoggrannhet. Men för mer specialiserad tillverkning av sensorer i mindre volymer, såsom accelerometrar för flygplan och vibrationssensorer för industriella maskiner, kräver MEMS-teknologier kostsamma anpassningar.
Frank Niklaus, som ledde forskningen vid Kungliga Tekniska Högskolan i Stockholm, säger den nya 3D-utskriftstekniken, som publicerades i Microsystems &Nanoengineering , ger ett sätt att komma runt begränsningarna för konventionell MEMS-tillverkning.
"Kostnaderna för tillverkningsprocessutveckling och optimering av enhetsdesign skalar inte ner för lägre produktionsvolymer", säger han. Resultatet är att ingenjörer ställs inför ett val av suboptimala MEMS-enheter från hyllan eller ekonomiskt olönsamma startkostnader.
Andra lågvolymprodukter som skulle kunna dra nytta av tekniken inkluderar rörelse- och vibrationskontrollenheter för robotar och industriverktyg, såväl som vindturbiner.
En MEMS-enhet syns bredvid ett euromynt på 2 cent. Kredit:Simone Pagliano
Forskarna byggde på en process som kallas tvåfotonpolymerisation, som kan producera högupplösta objekt så små som några hundra nanometer i storlek, men som inte kan känna av funktionalitet. För att bilda de transducerande elementen använder metoden en teknik som kallas skuggmaskering, som fungerar ungefär som en stencil.
På den 3D-printade strukturen tillverkar de funktioner med ett T-format tvärsnitt, som fungerar som paraplyer. De avsätter sedan metall från ovan, och som ett resultat är sidorna av de T-formade detaljerna inte belagda med metallen. Detta innebär att metallen på toppen av T:et är elektriskt isolerad från resten av strukturen.
Med den här metoden säger Niklaus att det bara tar några timmar att tillverka ett dussintal specialdesignade MEMS-accelerometrar med relativt billiga kommersiella tillverkningsverktyg. Metoden kan användas för prototypframställning av MEMS-enheter och tillverkning av små och medelstora partier på tiotusentals till några tusen MEMS-sensorer per år på ett ekonomiskt lönsamt sätt, säger han.
"Det här är något som inte har varit möjligt förrän nu, eftersom uppstartskostnaderna för att tillverka en MEMS-produkt med konventionell halvledarteknik är i storleksordningen hundratusentals dollar och ledtiderna är flera månader eller mer", säger han. . "De nya funktionerna som erbjuds av 3D-printade MEMS kan resultera i ett nytt paradigm inom MEMS och sensortillverkning."
"Skalbarhet är inte bara en fördel i MEMS-produktion, det är en nödvändighet. Denna metod skulle möjliggöra tillverkning av många typer av nya, skräddarsydda enheter." + Utforska vidare
