На данном этапе своего развития аддитивное производство (AП) и 3D-печать выходят далеко за пределы аэрокосмического сектора, который положил начало их внедрению. Технология проникает в автомобилестроение, энергетику, образование, медицину и другие отрасли. Перечень включает и полупроводниковую промышленность, где сложное оборудование может использовать преимущества, которые AП приносит другим областям. Например, повышение эффективности, производство по индивидуальному запросу и инновационные возможности для проектирования.

Чем полезна 3D-печать в промышленности

Сегодня известны 5 ведущих производителей микросхем:

•    Intel,
•    Samsung,
•    NVIDIA,
•    Texas Instruments,
•    Broadcom.

Они полагаются на широкий круг подрядчиков, субподрядчиков и поставщиков при создании каждого компонента, который устанавливаются плату. И все зависит от тех, кто добывает сырье. Из-за длинной цепочки поставок производители полупроводников могут легко пострадать от серьезных проблем, таких как пандемия COVID-19 или корабль, застрявший в Суэцком канале.

Фото: 3DSystems

Сектор электроники внедряет инновации максимально быстрыми темпами, чтобы не отставать от требований закона Мура и растущих отраслей, которые полагаются на стабильные поставки новых, более совершенных и компактных чипов. Также пандемия побуждает предприятия, образовательные учреждения и людей больше выходить в Интернет. Школы покупают планшеты, компьютеры и модернизируют локальные сети. Люди работают удаленно, но большинство малых и средних предприятий не подключены к облаку. При этом крупные серверные фирмы и масштабные компании (Amazon или Azure) предоставляют облачные сервисы с увеличенной нагрузочной способностью.

Все это вызывает нарушения в цепочке поставок, поскольку товары заканчиваются, что требует новых поступлений, чтобы не отставать от спроса. Ситуация усугубилась ухудшением условий труда, ограничениями, глобальными экономическими проблемами и перебоями в работе транспорта, связанными с пандемией.

Производители полупроводников пришли к выводу, что можно извлечь выгоду, внедряя технологию, которая способна стабильно и быстро изготавливать модели по запросу.
Изготовление прототипов из пластика широко используется в большинстве высокотехнологичных отраслей, включая производство полупроводников. Металлическая трехмерная печать готовых деталей получает все большее распространение. Уже существуют системы обработки полупроводниковых пластин, которые включают компоненты, изготовленные на оборудовании 3D Systems. Компания увеличивает долю 3Д печати деталей на передовом оборудовании с каждым поколением. Сейчас наблюдается удвоение количества аддитивно изготавливаемых изделий внутри бренда.

Производители кремниевых пластин пытаются оптимизировать системы для снижения помех и внутренней неопределенности, чтобы быстрее выйти на рынок. Для этого необходима технология, способствующая к стремительному усовершенствованию прототипов. Прямая печать металлом (DMP) от 3D Systems – это разновидность метода лазерного порошкового сплавления, используемая некоторыми клиентами для разработки новых конструкций.

Фото: Bart van Overbeeke Fotografie / ASML / Handout

Производятся детали, снижающие затраты на инструменты за счет объединения нескольких компонентов в единую сборку. К ним относятся полупроводниковые пластины со сложными каналами охлаждения, которые могут состоять из 5-7 частей, обработанных и спаянных вместе, а изготавливаются от двух до трех месяцев. С помощью AП этот узел может быть выполнен более эффективно как единое целое и с улучшенными характеристиками. Для получения наилучших тепловых характеристик можно тестировать различные материалы: медь, алюминий или титан. Это позволяет производителям разрабатывать сложную конструкцию вместо того, чтобы сначала идти на производственные компромиссы, а затем жертвовать функционалом из-за этих ограничений.

Пути оптимизации

Применение 3D-печати в промышленности начинается, когда клиент видит варианты использования технологий 3D Systems и обращается к ним либо пользователь сталкивается с техническими проблемами и видит возможность преодолеть их с помощью AП.

Фото: 3DSystems

3D Systems работает с заказчиками над очевидными и достижимыми задачами, включая пластины, коллекторы и общую оптимизацию конструкции. Компания провела исследование, касающееся самого сложного оборудования на планете – Большого адронного коллайдера. Аппарат рассматривается как ведущий пример для полупроводниковой промышленности с базой, разработанной для физических экспериментов с массой частиц. Голландский национальный институт субатомной физики стремился создать герметичные охлаждающие стержни, которые могли бы достигать температуру -40°C в детекторе ускорителя частиц. Изготовление компонента с помощью обычных процессов было невозможно из-за необходимой толщины стенки, нужной для минимизации количества материала между охлаждающей жидкостью и охлаждаемой поверхностью. Работая с 3D Systems, ученые смогли изготавливать стержни из TiGr23. Герметичные изделия имели толщину стенки всего 0,25 мм с точностью 50 микрон при длине детали 263 мм. Более 300 охлаждающих стержней были напечатаны на 3D-принтере с использованием технологии DMP 3D Systems.

Фото: 3DSystems

Другой пример. Wilting, поставщик 1 уровня для производителей полупроводникового оборудования, работал с 3D Systems над оптимизацией потока жидкости и газа в коллекторах для снижения перепадов давления, а также механических возмущений и вибрации. Использование аддитивного производства для создания трубопроводов помогло снизить возмущающие силы, вызываемые жидкостью, на 90%. Кроме того, преобразование сборки, состоящей из нескольких частей, в один коллектор, напечатанный на 3D-принтере, снизило вес на 50%. Это привело к повышению надежности, производительности и эффективности. Успех партнерства привел к увеличению спроса на 3D-печать в промышленности с Wilting.

Современное оборудование, низкие затраты, высокие скорости, разумное энергопотребление – все это ключевые ценности, поэтому расширение AП в полупроводниковой области неизбежно. 3D-печать применяется для решения все более сложных задач, для создания компонентов с необходимыми характеристиками. В течение следующих 10-15 лет отрасль пойдет по тому же пути внедрения аддитивных технологий, что и в аэрокосмическом секторе, где сначала использовались для получения кронштейнов и эстетических деталей, а теперь все чаще применяется для полного переосмысления конструкции двигателей.