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¿Cuál es el estado actual de la impresión 3D a microescala?

Published on abril 17, 2020 by Alicia M.

La microfabricación es el proceso de creación de estructuras en miniatura a escalas micrométricas. Históricamente, la microfabricación se utilizó por primera vez en la industria electrónica para miniaturizar el tamaño de los dispositivos. De hecho, a lo largo de los años, los dispositivos electrónicos se han vuelto más pequeños y elegantes. Los tamaños de los componentes que estaban en decenas de micrómetros se convirtieron en micrómetros de un solo dígito, y luego en cientos de nanómetros, y luego se redujeron a unas pocas decenas de nanómetros, donde se encuentran hoy. Como resultado, lo que solía llamarse microfabricación se renombró como nanofabricación, aunque los principios rectores se han mantenido esencialmente igual. Para enfrentar el desafío de reducir el tamaño de los componentes en la industria electrónica, continuamente se desarrollan nuevas herramientas y técnicas. Una de estas técnicas es la impresión 3D a microescala. Entonces, ¿qué aplicaciones están habilitadas por la fabricación aditiva a microescala? Y, en general, ¿cuáles son los beneficios de esta tecnología?

En primer lugar, debemos tener en cuenta que en el mundo de la fabricación aditiva, la industria electrónica es una de las menos conocedoras de la tecnología. Si consideramos que el sector aeroespacial fue uno de los primeros sectores en adoptar y desarrollar la impresión 3D, la electrónica es esencialmente lo contrario. Sin embargo, la fabricación aditiva puede aportar beneficios y nuevas capacidades a este sector, al permitir un nuevo nivel de personalización para componentes de micro y nanoescala…

Para enfrentar el desafío de reducir el tamaño de los componentes en microelectrónica, continuamente se desarrollan nuevas herramientas y técnicas. El principal impulsor de esta tecnología son los circuitos integrados, como este.

De hecho, la fabricación aditiva a microescala se desarrolló por primera vez para beneficiar a la industria electrónica, pero actualmente la tecnología se está moviendo más allá de este campo. Por ejemplo, la técnica podría usarse para aplicaciones médicas, donde los componentes de tamaño nanométrico podrían insertarse al cuerpo para curar enfermedades. En el siguiente apartado, analizamos múltiples ángulos de la relación entre la fabricación aditiva y la fabricación micro / nano para brindar una visión general del estado actual de esta tecnología y sus aplicaciones en los sectores electrónicos y más allá.

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La tecnología detrás de la impresión 3D a microescala

En primer lugar, consideremos la tecnología principal detrás de la impresión 3D a microescala, también conocida como microstereolitografía. Esta se basa en un principio de fabricación muy similar al de la estereolitografía (SLA), la primera tecnología de impresión 3D patentada. Sin embargo, implementa mejoras de proceso que resultan en una resolución mucho mejor (hasta un par de micrómetros). Se basa en la polimerización de un material fotosensible por luz ultravioleta.

En el segmento de la electrónica, la tecnología debe ser capaz de crear estructuras conductoras y aislantes al mismo tiempo, lo cual es un gran desafío. Nano Dimension, uno de los principales fabricantes de componentes electrónicos impresos en 3D, ha introducido una tecnología de impresión 3D basada en la inyección de tinta que utiliza nanoenlaces. También trabaja con fotopolimerización, mediante un cabezal de impresión que deposita nanopartículas dieléctricas, nanopartículas conductoras y polímeros en la placa de construcción, curandose con luz UV entre deposiciones sucesivas. Por otro lado, Optomec, otra empresa líder en electrónica impresa en 3D, ha desarrollado la impresión 3D Aerosol Jet, que funciona mediante la deposición de un flujo reducido de tintas electrónicas tan pequeñas como 10 µm.

Hay una gran demanda de placas de circuito impreso (PCB) para ser más densas y complejas. El siguiente PCB es multicapa, lo que significa que contiene múltiples capas de trazas conductoras en lugar de contener solo 1 | Créditos: Nano Dimension

Cuando se trata de metales, la microstereolitografía ya no es el método más adecuado. La microsinterización por láser es una tecnología similar a la sinterización selectiva por láser (SLS). Este sistema se ha desarrollado para crear microestructuras impresas en 3D en metal, y es utilizada por actores como 3D MicroPrint, con sede en Alemania. Exaddon, por otro lado, se basa en un proceso que podría compararse con la deposición de energía directa, al que denominan deposición electroquímica. Una boquilla de micro tamaño deposita un líquido de iones metálicos, que se transforman mediante un proceso electrolítico (carga eléctrica) en átomos sólidos.

La fabricación de bobinas con un diámetro inferior a 300 micrómetros es un desafío complejo que apenas se aborda con métodos convencionales. Estas bobinas de cobre han sido impresas en 3D por Exaddon en colaboración con la Harvard Medical School | Créditos: Exaddon

En cuanto a la impresión 3D a nanoescala, la tecnología se llama litografía multifotón (MPL), más comúnmente conocida como polimerización de dos fotones (2PP). Utiliza, como su nombre lo indica, la absorción de dos fotones de los láseres de alta intensidad, como la luz infrarroja cercana (NIR). Estos láseres de alta intensidad pueden crear resoluciones de hasta 50 nm (0.05 µm). Las partes son tan pequeñas que en realidad tardan más en crearse de lo que uno podría esperar. Es un proceso largo porque polimeriza varias áreas pequeñas a la vez, y por esta razón es difícil de ampliar. Para hacernos una idea, a simple vista podemos ver objetos tan pequeños como 0.1 mm, que serían unos 100 micrómetros (µm). Por lo tanto, no podremos ver muchas de las estructuras que la polimerización de dos fotones (2PP) es capaz de crear.

De hecho, los investigadores en múltiples universidades de todo el mundo están estudiando las capacidades de la tecnología 2PP. Recientemente, en la Universidad China de Hong Kong (CUHK), en colaboración con el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, los investigadores han estado trabajando para mejorarla. Sourabh Saha, líder de este proyecto de investigación, explica: “Tradicionalmente, hay compensaciones entre velocidad y resolución. Si deseamos un proceso más rápido, se perderá resolución. Hemos roto esta compensación de ingeniería, lo que nos permite imprimir mil veces más rápido con las características más pequeñas”. Esencialmente, los investigadores están reemplazando el singular láser de alta intensidad con un campo de luz para acelerar el proceso.

Este castillo mide 230 µm x 250 µm x 360 µm, y ha sido impreso en 3D sobre un lápiz usando 2PP | Créditos: TU Wien

Las aplicaciones de la impresión 3D a microescala

Industria electrónica

Como se mencionó, en el campo de la electrónica, la impresión 3D a microescala puede mejorar el rendimiento, la funcionalidad y aumentar la miniaturización de los dispositivos. Para los ingenieros, uno de los desafíos de innovar en este campo a menudo es crear prototipos para probar la forma o la integración de la electrónica en el diseños de productos. Mediante la creación de prototipos internamente en lugar de la subcontratación, los fabricantes pueden beneficiarse de plazos de entrega más cortos, flexibilidad de diseño, personalización y una cadena de suministro simplificada. La impresión 3D a microescala se puede utilizar para crear nuevos diseños para dispositivos electrónicos integrados, electroimanes, MIDS (dispositivos de interconexión moldeados), antenas, sensores y PCB de múltiples capas (placas de circuito impreso).

El CEO de Nano Dimension, Amit Dror, explica que muchos sectores se beneficiarán de esta tecnología más allá de las aplicaciones de creación de prototipos. Según él: “hoy en día, la necesidad más fuerte de soluciones AME (electrónica de fabricación aditiva) proviene de las industrias aeroespacial y de defensa. Mirando hacia el horizonte, podemos esperar que la producción a escala industrial provenga de la industria automotriz y de los bienes de consumo electrónicos”.

El prototipo de PCB impreso en 3D de precisión de Nano Dimension producido en DragonFly Pro | Créditos: Nano Dimension

La electrónica de impresión 3D tiene una alta probabilidad de seguir el mismo camino en adoptar la microfabricación. A medida que esta tecnología madura y los nuevos jugadores ingresan al mercado, la impresión 3D de productos electrónicos podría eventualmente pasar de ser una herramienta de creación de prototipos a un proceso de producción en masa. Optomec, la otra compañía líder en este segmento de fabricación aditiva, explica que su tecnología Aerosol Jet es capaz de imprimir en 3D 5,000 circuitos integrados de 25 a 50 µm por hora, y la producción se puede escalar hasta 10,000 por hora con la introducción de una boquilla adicional. En otras palabras, la compañía ya promete que su tecnología es escalable para soportar la producción de grandes cantidades.

Otras aplicaciones

Por supuesto, hay otros beneficios colaterales de poder imprimir estructuras tan pequeñas. Múltiples startups como Nanofabrica, Nanoscribe, Boston Micro Fabrication o MicroLight3D han desarrollado micro tecnologías que pueden usarse para producir dispositivos médicos, como por ejemplo, microagujas. Para los profesionales de este sector, es prioritario minimizar la cantidad de daño tisular colateral durante una operación. Por lo tanto, miniaturizar dispositivos médicos es clave. Todavía en el sector médico, Nanoscribe explica que los usuarios pueden fabricar andamios 3D para estudiar el crecimiento celular, la migración o la diferenciación de células madre en estructuras biomiméticas utilizando su tecnología 2PP. La startup también usa 2PP para una variedad de otras aplicaciones como refractiva, difractiva y micro óptica.

Herramientas impresas en 3D que muestran precisión micrométrica utilizando impresión micro 3D en metal | Créditos: Microfabrica

¿Qué depara el futuro para este sector de impresión 3D?

En el futuro, las posibles aplicaciones incluirán la producción de sensores portátiles o integrados para el monitoreo de la salud en tiempo real. Además, los sensores impresos en 3D podrían integrarse en lentes para permitir aplicaciones de realidad aumentada. Por otra parte, la electrónica integrada impresa en 3D podría verse en objetos desde teléfonos inteligentes a automóviles, agregando funcionalidad y haciéndolos más ligeros. Las limitaciones actuales se refieren al software para desarrollar los modelos de una fabricación tan pequeña, pero también para expandir los materiales disponibles para este proceso.

Para concluir, es bastante evidente que la adopción más amplia de la impresión 3D a microescala enfrentará los mismos obstáculos que otras tecnologías de fabricación aditiva. John Kawola, CEO de Boston Micro Fabrication, afirma: “No creemos que los desafíos de una adopción más amplia de la impresión 3D a microescala sean diferentes de los desafíos de la impresión 3D en general. La fabricación aditiva en todos los tamaños seguirá siendo valiosa para la ingeniería y el diseño de prototipos. La tecnología a microescala ofrece nuevas herramientas a los ingenieros que anteriormente no podían crear prototipos de manera efectiva a ese tamaño. Además, la producción de piezas de microescala suele ser bastante costosa, lo que aumenta el valor de considerar la impresión 3D para la producción de piezas de uso final”.

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