Interview met een expert:Dr. Bastian Rapp van NeptunLab

Sinds hij in 2008 promoveerde aan de Universiteit van Karlsruhe, is Dr. Bastian Rapp uitgegroeid tot 's werelds toonaangevende autoriteit op het gebied van de toepassing van 3D-printen voor microfluïdica en aanverwante technologieën. Als oprichter en hoofd van NeptunLab, aan het Institute of Microstructure Technology (IMT) van het Karlsruhe Institute of Technology, richt zijn werk zich op de ontwikkeling van microfluïdica voor biomedische toepassingen en biotechnologie. Bastian was zo vriendelijk om met ons om de tafel te gaan zitten om de rol te bespreken die 3D-printen heeft gespeeld in zijn werk en wat hij ziet als de belangrijkste gebieden waar de technologie moet evolueren.

Dus waarom 3D-printen? Hoe heb je de technologie oorspronkelijk ontdekt?

Mijn laboratorium is gericht op toepassingen voor microsysteemtechniek, materiaalwetenschap en analyse/diagnostiek voor biochemie en biomedische toepassingen. Ik was altijd al geïnteresseerd in methoden waarmee je snel componenten kunt maken - om van een conceptueel ontwerp iets te maken dat je in een zeer korte tijd kunt testen. Microsysteemengineering maakt gebruik van technologieën die uiterst fijne, sterk opgeloste structuren maken, maar deze technieken zijn erg tijdrovend.

Ik was geïntrigeerd om meer te weten te komen over de ontwikkelingen in additive manufacturing. Bijna 12 jaar geleden ben ik in dit vakgebied begonnen. Een ding waar ik altijd bijzonder in geïnteresseerd was, was de vooruitgang op het gebied van resolutie, omdat veel van de dingen die we doen, de functieresolutie ongeveer even groot is als de ruwheidswaarde van normaal 3D-printen. We hebben het over interne afmetingen van 50 micron! We hebben extreem gladde oppervlakken nodig en we hebben extreem goed opgeloste functies nodig. Dus ik was op zoek naar methoden die de resolutie verhogen en manieren om de materiaalkeuze te vergroten.

De meeste polymeren die bij 3D-printen worden gebruikt, werken gewoon niet voor het soort toepassingen waar we naar op zoek waren. Daarom heeft mijn laboratorium zich gericht op technologie en materiaalontwikkeling, om het veld hierin vooruit te helpen.

Hoe zag het implementatieproces eruit toen u deze technologie begon te verkennen? Deed je het in-house, of besteedde je het bijvoorbeeld uit?

De eerste 3D-geprinte ontwerpen die ik in mijn onderzoek gebruikte, werden eigenlijk vervaardigd door een Zwitsers bedrijf genaamd ProForm, dat al bezig was met het maken van zeer goed opgeloste functies met microstereolithografie. We werkten met veel ontwerpen van ProForm, maar uiteindelijk ontdekten we dat de meeste materialen die ze konden verwerken niet echt geschikt waren, omdat hun fysische/chemische eigenschappen gewoon niet waren wat we nodig hadden. Zo'n acht jaar geleden zijn we dus begonnen met het ontwikkelen van onze eigen instrumentatie en ontwikkelden we ook materialen die je met deze tools zou kunnen verwerken.

Het basisprobleem met veel 3D-printtechnologieën (hoewel dit steeds beter wordt) is dat je alleen de specifieke materialen kunt gebruiken die een instrumentleverancier je zou leveren. Het is vrijwel hetzelfde probleem als de oude inkjetprinters die alleen op de cartridges van de fabrikant draaien.

Dit is waarom we uiteindelijk zeiden:"Waarom hebben we een conventioneel instrument nodig als we ons eigen instrument kunnen bouwen en er een open platform van kunnen maken voor vrijwel alle materialen?" Dat was het eerste werkinstrument dat we in het laboratorium hebben opgesteld om nieuwe materialen te testen. Soortgelijke machines zijn nu in de handel verkrijgbaar.

Ons instrument is zo ontworpen dat de resolutie aanzienlijk beter zou zijn dan die van de meeste stereolithografische instrumenten, met een haalbare resolutie van 600 nanometer - aanzienlijk kleiner dan wat u doorgaans op de markt zult vinden. Het stelt u ook in staat om onderdelen aan elkaar te naaien om interessante laterale afmetingen te bereiken. Als u bijvoorbeeld een enkele DMD-chip (digital micromirror device) neemt en deze verkleint tot een pixelgrootte van 600 nanometer, is uw totale laterale veld waarmee u werkt fracties van een millimeter, dus u moet afzonderlijke frames naast elkaar.

Hoe waren de vroege stadia? Waren er specifieke uitdagingen bij het voor het eerst toepassen van deze technologie?

Dit vind ik tegenwoordig heel interessant aan de industrie, aangezien dit de dagen waren dat je aangepaste software moest schrijven om onderdelen te printen, en dat soort dingen. Tegenwoordig kun je ontwerpen downloaden van het web, ze door standaardsoftware sturen en direct printen. Het is behoorlijk geavanceerd.

Hoe heeft het zich sindsdien ontwikkeld? Wat voor soort toepassingen vind je voor deze technologie?

We hebben veel microfluïdica gedaan met behulp van deze technologie, zoals biosensoren en analytische apparaten. We hebben ook veel optische apparaten gemaakt, die interessante dingen doen met licht. We hebben bijvoorbeeld projectoren gemaakt waarbij je een laserpointer door een fysieke structuur schijnt, die vervolgens een projectie genereert. Optische componenten zoals deze zullen de komende jaren belangrijker worden omdat we steeds meer met licht gaan rekenen in plaats van met elektronen. We hebben ook veel chemie-op-een-chip gedaan, waardoor de grootschalige chemie die in de industrie plaatsvindt, is teruggebracht tot een doorstroomvorm.

Hoe is de acceptatie onder professionals geweest?

In onze gemeenschap zijn we zeer beperkt in termen van afmetingen. Je kunt niet zomaar elk instrument op de markt kopen, omdat de resolutie gewoon niet voldoende zal zijn. Als gevolg hiervan heeft mijn gemeenschap deze trends vrij langzaam opgepikt, omdat je om te beginnen veel geld moet investeren om het juiste instrument te kopen, en ook een aantal maanden om het op te zetten.

Daarnaast – en dat is voor ons vakgebied enorm belangrijk – is dat de materiaalkeuze nog vrij beperkt is. Veel materialen die je kunt 3D printen zijn niet relevant voor toepassingen als bio-analyse, omdat de polymeren veel te reactief zijn. We hebben onlangs een paper gepubliceerd over 3D-printen met glas. Dit is een idee waar we naar streven:bekende materialen toegankelijk maken via nieuwe instrumenten voor additieve fabricage. Het gaat er dan niet om hoe goed ik bijvoorbeeld een bepaald fotopolymeer ken. Dat kan me niet schelen, want ik kan een structuur genereren in een bekend materiaal, en het enige nieuwe element is het proces dat ik gebruik om dit onderdeel te maken. Uiteindelijk gedraagt ​​het zich identiek aan het materiaal waar we al decennia mee werken, dus dit lost het probleem van materiële acceptatie op. Daarom pitch ik deze technologieën vaak als een materiaalprocesinnovatie in plaats van een materiaalinnovatie. We hebben geen nieuwe materialen uitgevonden - het is gewoon een andere manier om componenten te maken met de materialen die we al hebben!

Als ik spreek met mensen die zich bezighouden met additive manufacturing op industriële schaal, komen er meestal twee punten naar voren. De eerste is dat de materialen er gewoon nog niet zijn, en de tweede is dat de resolutie van de onderdelen er gewoon nog niet is. SLS is bijvoorbeeld een goed proces, maar heeft een uitgebreide nabewerking nodig. Als je dit vergelijkt met processen als stereolithografie of CLIP (continuous laser interface production), waarbij je een continu opbouwproces hebt en dus geen stappen, dan kun je zeer gladde oppervlakken bereiken, die geschikt zijn voor optische componenten. Maar stereolithografie heeft zijn beperkingen, omdat het een op chemie gebaseerd proces is. Als gevolg hiervan zullen mensen die zichzelf niet zien als specialisten in materiaalchemie, geen stereolithografie gebruiken, en als ze dat doen, gebruiken ze alleen de materialen die door de leveranciers worden geleverd.

We hebben geprobeerd deze hiaten te overbruggen, omdat stereolithografie veel voordelen heeft ten opzichte van andere methoden. Het enige nadeel is dat de materialen in een bepaalde formulering moeten zijn, zodat ze foto-uitgehard kunnen worden. Maar dit hoeft niet zo'n groot probleem te zijn. We hebben een aantal artikelen gepubliceerd waarin we met succes onderdelen hebben geprint met een aantal industriële thermoplasten, zoals plexiglas, dat u nu in zeer hoge resoluties in 3D kunt printen.

Waar zie je dit nu heen gaan? Hoe stelt u zich voor dat verschillende industrieën deze disruptieve technologie toepassen terwijl deze zich ontwikkelt?

Een vraag die moet worden beantwoord, is snelheid, want dat is nog steeds een probleem bij additieve productie. Als je de materiaalproblemen oplost en een bekend en gevestigd materiaal hebt dat je kunt 3D-printen, maar je kunt hetzelfde materiaal ook gebruiken in een industrieel, schaalbaar proces, zoals polymeerreplicatie, dan wordt additive manufacturing nog interessanter. Bedrijven kunnen vervolgens prototypen maken met behulp van 3D-printen, waarbij hetzelfde materiaal wordt gebruikt dat vervolgens wordt gebruikt voor de productie, zodat u een gestroomlijnd proces hebt zonder materiële onderbreking tussen de conceptfase en de productiefase.

Het tweede grote probleem is hoe je het proces zover krijgt dat de industrie het op productieschaal kan gebruiken. We zien een toename van de bouwsnelheid. CLIP maakte bijvoorbeeld stereolithografie bijna honderd keer sneller, maar het is nog steeds te traag! Met industriële replicatie hoef je spuitgieten niet per se te verslaan, want dat proces is volledig geoptimaliseerd en ongelooflijk snel, maar als je op het punt komt dat je een onderdeel kunt maken via een 3D-printproces en de snelheid is slechts één bestelling grootte langzamer, dan begin je ineens je berekening anders te doen. Met additieve fabricage heeft u geen vormgereedschap nodig, dat voor de meeste toepassingen extreem duur is. Als snelheid versus materiaalkosten een beetje beter in evenwicht zijn, zullen meer mensen worden aangemoedigd om additieve fabricage te onderzoeken. Dit is waar de technologie zal schitteren.

Snelheid, materialen en resolutie:dit zijn de drie dingen die moeten worden aangepakt om de technologie echt van de grond te krijgen. De volgende grote stap zal zijn om andere materialen toegankelijk te maken voor 3D-printen die we nog nooit eerder hebben gezien, inclusief het vaststellen van polymeren en metalen. Er zullen er zeker meer volgen!

www.neptunlab.org

(Afbeeldingen met dank aan NeptunLab)