Kungliga Tekniska Högskolan (KTH) har utvecklat en ny teknik med 3D-skrivare som kan användas för snabbare tillverkning av skräddarsydda billiga sensorer i mindre serier för robotar, pacemakers med mera genom att utnyttja en kombination av mikromekanik (MEMS) och 3D-skrivare.
Konventionell mikromekanik, eller mikroelektromekaniska system (MEMS) som tekniken mer korrekt också kallas, används idag framgångsrikt för att tillverka senorer i mycket höga volymer med hjälp av storskaliga halvledartillverkningstekniker. Att däremot tillverka skräddarsydda enheter, som till exempel accelerometrar för flygplan och vibrationssensorer för industriella maskiner, i små eller mellanstora kvantiteter blir både dyrt och tidskrävande, något som också leder till långa ledtider. Det är här KTH:s ny teknik med 3D-skrivare kommer in.
– Den nya 3D-utskriftstekniken, som publicerats i en artikel i Nature Microsystems & Nanoengineering, innebär ett sätt att komma runt begränsningarna med konventionell MEMS-tillverkning. Kostnaderna för tillverkningsprocessutveckling och optimering av enhetdesignen skalar inte ner för lägre produktionsvolymer. Resultatet blir att ingenjörer ställs inför ett val mellan mindre optimala MEMS-enheter från hyllan eller acceptera ekonomiskt olönsamma startkostnader, säger Frank Niklaus som lett forskningen vid Kungliga Tekniska Högskolan i Stockholm.
Andra lågvolymprodukter som skulle kunna dra nytta av tekniken inkluderar rörelse- och vibrationskontrollenheter för robotar och industriverktyg, samt vindturbiner.
Forskarna byggde tekniken på en process som kallas tvåfotonpolymerisation, som kan producera högupplösta objekt ner till några hundra nanometer i storlek, men har dock begränsningar för att skriva ut funktionell MEMS. För att bilda de ”transducerande” elementen som också används i konstruktionen använder forskarna 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 ovanifrån genom ångdeponering, och som ett resultat av det är sidorna av de T-formade detaljerna inte belagda med metallen. Detta innebär att metallen på toppen av T-strukturen är elektriskt isolerad från resten av strukturen som utgör sensorn.
I artikeln Micro 3D printing of a functional MEMS accelerometer, publicerad i Nature Microsystems & Nanoengineering, redovisar forskarna mer ingående hur de lyckats tillverka en accelerometer med hjälp av den nya 3D-printade MEMS-tekniken.
– Med den här metoden tar det bara 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 Frank Niklaus.
– Detta 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. De nya funktionerna som erbjuds av 3D-printad MEMS kan resultera i ett nytt paradigm inom MEMS och sensortillverkning. Skalbarhet är inte bara en fördel avseende MEMS-produktion, det är en nödvändighet. Den här metoden kan möjliggöra tillverkning av många typer av nya, skräddarsydda enheter.
