Tecnologia MEMS stampata in 3D – Sviluppo e applicazioni recenti

Progressi nella stampa 3D di sistemi microelettromeccanici

Tomasz Blachowicz e Andrea Ehrmann, dell’Università della Tecnologia della Slesia in Polonia e della Bielefeld University of Applied Sciences in Germania, rispettivamente, hanno pubblicato i dettagli del loro recente studio in ” Tecnologia MEMS stampata in 3D – Sviluppo e applicazioni recenti “.

I sistemi microelettromeccanici (MEMS) sono utilizzati in applicazioni elettroniche contemporanee, sia in campo medico, misurazioni, microfluidica o Internet delle cose. Possono agire come dispositivi di rilevamento in miniatura o attuatori e di solito sono realizzati con silicio e, più recentemente, con polimeri. Esempi tipici di MEMS sono:

Sensori di pressione
Sensori giroscopici
Accelerometri
Testine a getto d’inchiostro
Gli autori sottolineano che la stampa 3D di MEMS presenta spesso sfide, ma ci sono numerosi sviluppi recenti che possono essere in grado di beneficiare dei più classici vantaggi della stampa 3D come produzione più rapida e maggiore convenienza. Per la stampa 3D, i polimeri più comuni sono acrilonitrile-butadiene-stirene (ABS) o poli (acido lattico) (PLA), nonché poliammide (nylon) o policarbonato.

“Nonostante gli ulteriori gradi di libertà offerti dalla stampa 3D, in media meno dell’1% degli studi che si occupano della stampa 3D si concentra su MEMS”, affermano i ricercatori. “Ciò è in contrasto con i possibili vantaggi della stampa 3D nella produzione di MEMS, in particolare per evitare problemi con un indebolimento insufficiente delle strutture 3D legate a disallineamenti del modello di incisione anisotropica.

“Ci si può aspettare che i metodi di stampa 3D consentano di adattare le forme 3D nel modo desiderato, rendendo le strutture più affidabili quando i parametri di processo sono regolati correttamente.”

Possono essere presenti sfide, tuttavia, come un intervallo limitato di risoluzione, il restringimento termico e altro ancora.

Blachowicz ed Ehrmann tornano alle ricerche del 2013 come Leary et al. ha sperimentato lo sviluppo di canali MEMS da utilizzare in dispositivi microfluidici a stampa 3D su organi. Poco dopo, Lifton et al. ha iniziato a esplorare la stampa 3D di microfluidica e laboratori su un chip, confrontando una vasta gamma di tecniche per la fabbricazione di dispositivi MEMS. Oltre alle note sulla tossicità e all’attenta selezione dei materiali necessari in termini di biocompatibilità, gli autori hanno anche discusso di tecniche come:

fotolitografia
Polimerizzazione a due fotoni e multi-fotone
Stampa 3D a getto d’inchiostro
Processi di fabbricazione additivi con metallo
Tecnologie combinate e ibride

Combinazione di funzionalità di stampa 3D e pick-and-place per produrre dispositivi MEMS 3D utilizzati per la manipolazione di particelle acustiche. Riprodotto con il permesso di [54]. Copyright © The Royal Society of Chemistry 2018.

Sono anche possibili una varietà di diversi sensori e attuatori stampati in 3D, tra cui sensori chimici, sensori fisici, interruttori, attuatori a vibrazione e altro ancora.

(a) Concetto di interruttore MEMS stampato in 3D, che mostra il fenomeno del pull-in dovuto alle forze elettrostatiche sull’elettrodo sospeso quando viene applicata una tensione all’elettrodo inferiore fisso; (b) processo di stampa 3D. Riprodotto con il permesso di [75]. Copyright (2018) American Chemical Society.

Per applicazioni aeronautiche e astronautiche, gli autori hanno esplorato un concetto usando attuatori in elastomero dielettrico MEMS con uno scheletro ad ala stampato in 3D. La simulazione ha permesso l’ottimizzazione delle ali, mentre è stato utilizzato un attuatore in elastomero dielettrico a causa del potenziale per una maggiore convenienza, elevata densità di lavoro e ad alte frequenze.

Concept design di un micro-aereo, composto da MEMS e parti stampate in 3D. Riprodotto con il permesso di [77].

Altri ricercatori come Khandekar et al. Parti stampate in 3D per micropropulsori a microsatellite, utilizzando compositi polimerici ceramici.
“Dopo le prime idee sulla stampa 3D MEMS circa 20 anni fa, sono stati compiuti molti progressi nella combinazione di queste tecnologie. Soprattutto i sistemi microfluidici, ma anche alcuni sensori e attuatori MEMS possono oggi essere realizzati con diverse tecnologie di stampa 3D “, hanno concluso i ricercatori.

“Nuove tecniche di produzione additiva, come la tecnica di polimerizzazione a due fotoni, consentono di preparare le caratteristiche più piccole con dimensioni inferiori a 1 µm. Per tecniche di stampa 3D più consolidate, sono emerse nuove idee su come ridurre le dimensioni minime delle caratteristiche, rendendo in questo modo la stampa 3D sempre più adatta alla fabbricazione di MEMS. ”

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