В большинстве существующих процессов трехмерной микропечати нависающие структуры могут быть достигнуты только путем обходного пути: в процессе печати заранее изготовленный трафарет используется в качестве заполнителя под нависающим краем, который должен быть напечатан. По завершении печати шаблон необходимо удалить. В новой методике, разработанной докторантом ETH Лукой Хиртом из Лаборатории биосенсоров и биоэлектроники, печатающая головка также может печатать боком. Это означает, что свесы можно печатать без шаблонов.
Маленькая пипеткаНовый метод является усовершенствованием системы FluidFM, разработанной в ETH Zurich несколько лет назад. В основе этой системы лежит подвижная микропипетка, установленная на пластинчатой пружине, которую можно очень точно позиционировать. В настоящее время FluidFM используется в основном в биологических исследованиях и медицине; например, для сортировки и анализа клеток и введения веществ в отдельные клетки.
В течение трех лет система коммерчески продается дочерней компанией ETH Cytosurge.В рамках своей докторской диссертации в ETH Zurich Лука Хирт исследовал возможность использования FluidFM для процессов печати. В частности, он заинтересован в использовании этой техники для электроосаждения растворенных металлов и других веществ на проводящую подложку.
Электрохимические реакции на кончикеРазработанная сейчас система работает следующим образом: капля жидкости помещается на опорную пластину из золота. Наконечник микропипетки проникает в каплю и действует как печатающая головка. Раствор медного купороса медленно и равномерно течет через пипетку.
Используя электрод, ученые прикладывают напряжение между каплей и субстратом, вызывая химическую реакцию под отверстием пипетки. Сульфат меди, выходящий из пипетки, реагирует с образованием твердой меди, которая откладывается на опорной пластине в виде крошечного трехмерного пикселя.
Используя компьютер для управления движением микропипетки, исследователи могут печатать трехмерные объекты пиксель за пикселем и слой за слоем. Пространственное разрешение этого процесса зависит от размера апертуры пипетки, которая, в свою очередь, определяет размер отложений меди. В настоящее время ученые могут создавать отдельные трехмерные пиксели диаметром от 800 нанометров до более пяти микрометров и могут комбинировать их для формирования более крупных трехмерных объектов.
В ходе первоначального технико-экономического обоснования были созданы различные впечатляющие микроскопические объекты. Они состоят из чистой, непористой меди и обладают механической стабильностью, как показали исследования ученых из группы под руководством Ральфа Споленака, профессора нанометаллургии в ETH Zurich. Особенно впечатляющий объект состоит из трех вложенных микроспиралей, которые исследователи ETH изготовили за один шаг и без использования шаблона.
«Этот метод можно использовать для печати не только меди, но и других металлов», — говорит Томазо Замбелли, младший преподаватель и руководитель группы Лаборатории биосенсоров и биоэлектроники ETH Zurich. По его словам, FluidFM может даже подходить для 3D-печати из полимеров и композитных материалов.Преимущество нового метода перед другими процессами трехмерной микропечати заключается в том, что силы, действующие на кончик пипетки, могут быть измерены посредством отклонения пластинчатой пружины, на которой установлена микропипетка. «Мы можем использовать этот сигнал в качестве обратной связи. В отличие от других систем 3D-печати, наша может определять, какие области объекта уже были напечатаны», — говорит Хирт.
Это упростит автоматизацию процесса печати.Успешное сотрудничество с спин-оффомУченые подали заявку на патент на метод.
Ученые подали заявку на патент на метод. Cytosurge, дочерняя компания ETH, теперь лицензировала этот метод у ETH Zurich.
Паскаль Бер сыграл ключевую роль в разработке FluidFM в ETH несколько лет назад. Сегодня он генеральный директор Cytosurge. «Мы видим большой рыночный потенциал в процессе печати и возможность дальнейшей диверсификации нашей компании», — говорит он. «Мы убеждены в идее использования FluidFM в 3D-микропечати. Теперь задача состоит в том, чтобы оптимизировать это приложение в сотрудничестве с заинтересованными исследователями в университетах и в промышленности, например, в часовом, медицинском и автомобильном секторах».
Бер видит первое применение в области быстрого прототипирования, где микроскопические компоненты можно быстро и легко изготавливать с помощью 3D-печати.Также будет продолжено давнее сотрудничество между ETH Zurich и Cytosurge. «Это случай взаимных уступок, от которых выигрывают обе стороны», — говорит Замбелли. Cytosurge предоставляет ETH свое новейшее оборудование, которое ученые ETH могут использовать в своих исследованиях.
Они, в свою очередь, помогают тестировать устройства и предлагают предложения по улучшению и дальнейшему развитию.