Интервью с экспертом:д-р Бастиан Рапп из NeptunLab

После получения докторской степени в Университете Карлсруэ в 2008 году доктор Бастиан Рапп стал ведущим мировым специалистом в области применения 3D-печати для микрофлюидики и связанных с ней технологий. Как основатель и руководитель NeptunLab в Институте технологии микроструктур (IMT) Технологического института Карлсруэ, его работа сосредоточена на развитии микрофлюидики для биомедицинских приложений и биотехнологии. Бастиан был достаточно любезен, чтобы сесть с нами, чтобы обсудить роль 3D-печати в его работе и то, что он считает ключевыми областями, в которых технологиям необходимо развиваться.

Так почему же 3D-печать? Как вы впервые открыли для себя эту технологию?

Моя лаборатория ориентирована на приложения для микросистемной инженерии, материаловедения и аналитики / диагностики для биохимии и биомедицины. Меня всегда интересовали методы, которые позволили бы вам быстро создавать компоненты - переходить от концептуального дизайна к чему-то, что можно было бы протестировать за очень короткое время. В микросистемной инженерии используются технологии, позволяющие создавать чрезвычайно тонкие структуры с высоким разрешением, но эти методы требуют очень много времени.

Я был заинтригован, узнав о достижениях в аддитивном производстве. Я начал работать в этой сфере почти 12 лет назад. Одна вещь, которая меня всегда особенно интересовала, - это улучшения с точки зрения разрешения, потому что многое из того, что мы делаем, разрешение функции примерно равно размеру нормальной шероховатости 3D-печати. Речь идет о внутренних размерах 50 мкм! Нам нужны чрезвычайно гладкие поверхности и детали с чрезвычайно высоким разрешением. Поэтому я искал методы увеличения разрешения и способы увеличения выбора материалов.

Большинство полимеров, используемых в 3D-печати, просто не подходят для тех приложений, которые мы рассматривали. Вот почему моя лаборатория сосредоточилась на разработке технологий и материалов, чтобы продвинуться в этой области.

Когда вы начали изучать эту технологию, как проходил процесс ее внедрения? Делали ли вы это собственными силами или, например, на аутсорсинге?

Первые 3D-печатные конструкции, которые я использовал в своих исследованиях, были фактически изготовлены швейцарской компанией ProForm, которая уже приступила к созданию деталей с очень высоким разрешением с помощью микростереолитографии. Мы работали с множеством дизайнов от ProForm, но в конце концов мы обнаружили, что большинство материалов, которые они могли обрабатывать, не совсем подходили, потому что их физические / химические свойства были просто не тем, что нам нужно. Итак, около восьми лет назад мы начали разрабатывать собственное оборудование, а также разработали материалы, которые можно было обрабатывать с помощью этих инструментов.

Основная проблема со многими технологиями 3D-печати (хотя ситуация становится все лучше) заключается в том, что вы можете использовать только те материалы, которые вам предоставит поставщик инструментов. Это почти та же проблема, что и у старых струйных принтеров, которые работают только с картриджами производителя.

Вот почему мы в конце концов сказали:«Зачем нам нужен обычный инструмент, если мы могли бы создать свой собственный и сделать его открытой платформой для почти всех материалов?» Это был первый рабочий прибор, который мы установили в лаборатории для испытания новых материалов. Подобные машины сейчас имеются в продаже.

Наш инструмент был разработан таким образом, чтобы разрешение было значительно лучше, чем у большинства стереолитографических инструментов, с достижимым разрешением 600 нанометров - значительно меньше, чем то, что вы обычно найдете на рынке. Это также позволяет вам сшивать детали вместе для получения интересных боковых размеров. Например, если вы возьмете один чип DMD (цифровое микрозеркальное устройство) и уменьшите его до размера пикселя 600 нанометров, ваше общее поперечное поле, с которым вы работаете, будет долями миллиметра, поэтому вам нужно будет сшить отдельные кадры рядом друг с другом.

Какими были ранние этапы? Были ли какие-то особые проблемы при первом применении этой технологии?

Это то, что я нахожу довольно интересным в отрасли в настоящее время, поскольку это были дни, когда вам приходилось писать собственное программное обеспечение для печати деталей и тому подобное. В настоящее время вы можете загружать дизайны из Интернета, передавать их через стандартное программное обеспечение и сразу же распечатывать. Он значительно продвинулся вперед.

Как он развивался с тех пор? Какие приложения вы находите для этой технологии?

Мы провели множество микрофлюидических исследований с использованием этой технологии, например, биосенсоров и аналитических устройств. Мы также создали множество оптических устройств, которые делают интересные вещи со светом. Например, мы создали проекторы, в которых вы светите лазерной указкой через физическую структуру, которая затем создает проекцию. Подобные оптические компоненты станут более важными в ближайшие годы, поскольку мы все больше и больше будем проводить расчеты со светом, а не с электронами. Мы также сделали много химии на кристалле, сократив крупномасштабную химию, которая имеет место в промышленности, до сквозного формата.

Какова была популярность среди профессионалов?

В нашем сообществе мы очень ограничены в размерах. Нельзя просто покупать какой-либо инструмент на рынке, потому что разрешения просто не хватит. В результате мое сообщество довольно медленно улавливает эти тенденции, потому что для начала вам нужно вложить большие суммы денег, чтобы купить правильный инструмент, а также несколько месяцев, чтобы его настроить.

Другой момент - и это то, что чрезвычайно важно для нашей области, - это то, что выбор материалов по-прежнему довольно ограничен. Многие материалы, которые можно напечатать на 3D-принтере, не подходят для таких приложений, как биоаналитика, поскольку полимеры слишком реактивны. Недавно мы опубликовали статью о 3D-печати со стеклом. Мы продвигаем эту идею:сделать известные материалы доступными с помощью нового оборудования для аддитивного производства. Тогда вопрос не в том, насколько хорошо я знаю, например, определенный фотополимер. Меня это не волнует, потому что я могу создать структуру из известного материала, и единственный новый элемент - это процесс, который я использую для создания этого компонента. В конце концов, он ведет себя идентично материалу, с которым мы работали десятилетиями, так что это решает проблему приемлемости материала. Вот почему я часто позиционирую эти технологии как инновации в области обработки материалов, а не как инновации в материалах. Мы не изобретали никаких новых материалов - это просто другой способ изготовления компонентов из тех материалов, которые у нас уже есть!

Когда я говорю с людьми, которые занимаются аддитивным производством в промышленных масштабах, обычно возникают два вопроса. Во-первых, материалов просто еще нет, а во-вторых, разрешения деталей просто еще нет. Например, SLS - хороший процесс, но требует обширной постобработки. Если вы сравните это с такими процессами, как стереолитография или CLIP (непрерывное производство лазерных интерфейсов), где у вас есть непрерывный процесс наращивания и, следовательно, без каких-либо шагов, вы можете получить очень гладкие поверхности, которые подходят для оптических компонентов. Но у стереолитографии есть свои ограничения, так как это процесс, основанный на химии. В результате люди, которые не считают себя специалистами по химии материалов, не будут использовать стереолитографию, а если и будут, то будут использовать только материалы, предоставленные поставщиками.

Мы пытаемся восполнить эти пробелы, поскольку стереолитография имеет много преимуществ перед другими методами. Единственный недостаток заключается в том, что материалы должны быть в определенной рецептуре, чтобы их можно было отверждать при фотоотверждении. Но это не должно быть такой большой проблемой. Мы опубликовали ряд статей, в которых успешно печатали детали с использованием ряда промышленных термопластов, таких как оргстекло, которое теперь можно печатать на 3D-принтере с очень высоким разрешением.

Что вы думаете об этом дальше? Каким вы видите различные отрасли промышленности, применяющие эту революционную технологию по мере ее развития?

Один вопрос, который необходимо решить, - это скорость, поскольку это все еще проблема в аддитивном производстве. Если вы решите материальные проблемы и у вас есть известный и проверенный материал, который вы можете напечатать на 3D-принтере, но вы также можете использовать тот же материал в промышленном масштабируемом процессе, таком как тиражирование полимера, это сделает аддитивное производство еще более интересным. Затем компании могут создавать прототипы с помощью 3D-печати, используя тот же материал, который затем будет использоваться для производства, так что вы получите оптимизированный процесс без материальных разрывов между этапом концепции и этапом производства.

Вторая большая проблема заключается в том, как довести процесс до такой степени, чтобы промышленность могла использовать его в производственных масштабах. Мы наблюдаем увеличение скорости сборки. CLIP, например, сделал стереолитографию почти в сто раз быстрее, но все равно слишком медленно! С промышленным тиражированием вам не обязательно побеждать литье под давлением, поскольку этот процесс полностью оптимизирован и невероятно быстр, но если вы дойдете до точки, когда вы можете изготавливать компонент с помощью процесса 3D-печати, а скорость составляет всего один порядок на величину медленнее, а затем вы внезапно начинаете делать свои вычисления по-другому. При аддитивном производстве вам не нужны формовочные инструменты, которые в большинстве случаев чрезвычайно дороги. Если соотношение между скоростью и стоимостью материалов будет немного лучше, тогда больше людей будет заинтересовано в изучении аддитивного производства. Вот где технологии засияют.

Скорость, материалы и разрешение:это три вещи, которые необходимо решить, чтобы технология действительно заработала. Следующим большим шагом будет создание доступа к другим материалам для 3D-печати, которых мы никогда раньше не видели, включая полимеры и металлы. Определенно будет еще больше!

www.neptunlab.org

(Изображения любезно предоставлены NeptunLab)