Interview mit einem Experten:Dr. Bastian Rapp von NeptunLab

Seit seiner Promotion an der Universität Karlsruhe im Jahr 2008 hat sich Dr. Bastian Rapp zur weltweit führenden Autorität auf dem Gebiet der Anwendung des 3D-Drucks für die Mikrofluidik und verwandte Technologien entwickelt. Als Gründer und Leiter des NeptunLab am Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) des Karlsruher Instituts für Technologie konzentriert sich seine Arbeit auf die Entwicklung von Mikrofluidik für biomedizinische Anwendungen und Biotechnologie. Bastian war so nett, sich mit uns zusammenzusetzen, um die Rolle des 3D-Drucks in seiner Arbeit zu besprechen und die Schlüsselbereiche, in denen sich die Technologie weiterentwickeln muss, seiner Ansicht nach.

Warum also 3D-Druck? Wie haben Sie die Technologie ursprünglich entdeckt?

Mein Labor konzentriert sich auf Anwendungen für Mikrosystemtechnik, Materialwissenschaften und Analytik/Diagnostik für Biochemie und biomedizinische Anwendungen. Ich war schon immer an Methoden interessiert, mit denen man Komponenten schnell herstellen kann – von einem konzeptionellen Design zu etwas, das man in kürzester Zeit tatsächlich testen kann. Die Mikrosystemtechnik verwendet Technologien, die extrem feine, hochaufgelöste Strukturen erzeugen, aber diese Techniken sind sehr zeitaufwendig.

Ich war fasziniert von den Fortschritten in der additiven Fertigung. Ich habe vor fast 12 Jahren in diesem Bereich angefangen. Eine Sache, die mich immer besonders interessierte, war die Weiterentwicklung in Bezug auf die Auflösung, denn bei vielen Dingen, die wir tun, ist die Feature-Auflösung ungefähr so ​​groß wie der Rauheitswert des normalen 3D-Drucks. Die Rede ist von Innenmaßen von 50 µm! Wir brauchen extrem glatte Oberflächen und wir brauchen extrem hochaufgelöste Features. Also suchte ich nach Methoden, die die Auflösung erhöhen, und nach Möglichkeiten, die Auswahl an Materialien zu erhöhen.

Die meisten Polymere, die im 3D-Druck verwendet werden, funktionieren einfach nicht für die Art von Anwendungen, die wir untersucht haben. Deshalb hat sich mein Labor auf die Technologie- und Materialentwicklung konzentriert, um das Feld in dieser Hinsicht voranzubringen.

Als Sie mit der Erforschung dieser Technologie begannen, wie sah der Implementierungsprozess aus? Haben Sie es intern gemacht oder zum Beispiel ausgelagert?

Die ersten 3D-gedruckten Designs, die ich in meiner Forschung verwendet habe, wurden tatsächlich von einer Schweizer Firma namens ProForm hergestellt, die bereits damit beschäftigt war, mit Mikrostereolithographie sehr hochaufgelöste Strukturen herzustellen. Wir haben mit vielen Designs von ProForm gearbeitet, aber letztendlich haben wir festgestellt, dass die meisten Materialien, die sie verarbeiten konnten, nicht wirklich geeignet waren, weil ihre physikalisch-chemischen Eigenschaften einfach nicht das waren, was wir brauchten. Vor etwa acht Jahren haben wir also mit der Entwicklung eigener Instrumente begonnen und auch Materialien entwickelt, die Sie mit diesen Werkzeugen bearbeiten können.

Das Grundproblem bei vielen 3D-Drucktechnologien (obwohl dies immer besser wird) besteht darin, dass Sie nur die spezifischen Materialien verwenden können, die Ihnen ein Instrumentenanbieter liefern würde. Es ist das gleiche Problem wie bei den alten Tintenstrahldruckern, die nur mit den Patronen des Herstellers laufen.

Aus diesem Grund haben wir schließlich gesagt:„Warum brauchen wir ein konventionelles Instrument, wenn wir unser eigenes bauen und es zu einer offenen Plattform für so ziemlich alle Materialien machen könnten?“ Das war das erste Arbeitsgerät, das wir im Labor aufgestellt haben, um neue Materialien zu testen. Ähnliche Maschinen sind jetzt im Handel erhältlich.

Unser Instrument wurde so konzipiert, dass die Auflösung deutlich besser ist als die der meisten Stereolithographie-Instrumente, mit einer erreichbaren Auflösung von 600 Nanometern – deutlich kleiner als das, was Sie normalerweise auf dem Markt finden. Es ermöglicht Ihnen auch, Teile zusammenzufügen, um interessante seitliche Abmessungen zu erzielen. Wenn Sie beispielsweise einen einzelnen DMD-Chip (Digital Micromirror Device) nehmen und ihn auf eine Pixelgröße von 600 Nanometer verkleinern, beträgt Ihr gesamtes laterales Feld, mit dem Sie arbeiten, Bruchteile eines Millimeters, also müssen Sie nähen einzelne Frames nebeneinander.

Wie waren die Anfangsstadien? Gab es bei der erstmaligen Anwendung dieser Technologie besondere Herausforderungen?

Das finde ich heute ziemlich interessant an der Branche, da man damals noch kundenspezifische Software schreiben musste, um Teile zu drucken und dergleichen. Heutzutage kann man Designs aus dem Internet herunterladen, durch Standardsoftware übergeben und sofort ausdrucken. Es ist ziemlich weit fortgeschritten.

Wie hat es sich seitdem entwickelt? Welche Anwendungen finden Sie für diese Technologie?

Wir haben eine Menge Mikrofluidik mit dieser Technologie betrieben, beispielsweise Biosensoren und Analysegeräte. Wir haben auch viele optische Geräte entwickelt, die interessante Dinge mit Licht machen. Wir haben beispielsweise Projektoren entwickelt, bei denen Sie mit einem Laserpointer durch eine physikalische Struktur strahlen, die dann eine Projektion erzeugt. Optische Komponenten wie diese werden in den nächsten Jahren an Bedeutung gewinnen, da wir immer mehr mit Licht statt mit Elektronen rechnen. Wir haben auch viel Chemie-on-a-Chip gemacht – die großtechnische Chemie, die in der Industrie stattfindet, auf ein Durchflussformat reduziert.

Wie war die Akzeptanz bei Fachleuten?

In unserer Community sind wir in den Dimensionen sehr eingeschränkt. Sie können nicht einfach irgendein Instrument vom Markt kaufen, weil die Auflösung einfach nicht ausreichen wird. Infolgedessen nimmt meine Community diese Trends nur langsam auf, denn für den Anfang muss man viel Geld investieren, um das richtige Instrument zu kaufen, und auch mehrere Monate, um es einzurichten.

Zum anderen – und das ist für unsere Branche extrem wichtig – ist die Materialauswahl noch recht begrenzt. Viele Materialien, die Sie 3D-drucken können, sind für Anwendungen wie die Bioanalytik nicht relevant, da die Polymere viel zu reaktiv sind. Wir haben kürzlich ein Paper zum Thema 3D-Druck mit Glas veröffentlicht. Dies ist eine Idee, die wir vorantreiben:bekannte Materialien durch neuartige Instrumentierung für die additive Fertigung zugänglich zu machen. Es geht dann nicht darum, wie gut ich beispielsweise ein bestimmtes Photopolymer kenne. Das ist mir egal, weil ich eine Struktur aus einem bekannten Material generieren kann und das einzige neue Element ist der Prozess, mit dem ich dieses Bauteil herstelle. Am Ende verhält es sich identisch mit dem Material, mit dem wir seit Jahrzehnten arbeiten, und löst somit das Problem der Materialakzeptanz. Deshalb bezeichne ich diese Technologien oft eher als Materialprozessinnovation denn als Materialinnovation. Wir haben keine neuen Materialien erfunden – es ist nur eine andere Art, Komponenten mit den Materialien herzustellen, die wir bereits haben!

Wenn ich mit Leuten spreche, die sich mit der additiven Fertigung im industriellen Maßstab beschäftigen, werden normalerweise zwei Punkte angesprochen. Der erste ist, dass die Materialien noch nicht da sind, und der zweite, dass die Auflösung der Teile noch nicht da ist. SLS ist beispielsweise ein gutes Verfahren, erfordert jedoch eine umfangreiche Nachbearbeitung. Vergleicht man dies mit Verfahren wie Stereolithographie oder CLIP (Continuous Laser Interface Production), bei denen man einen kontinuierlichen Aufbauprozess und somit keine Stufen hat, erhält man sehr glatte Oberflächen, die für optische Komponenten geeignet sind. Die Stereolithographie hat jedoch ihre Grenzen, da es sich um ein auf Chemie basierendes Verfahren handelt. Wer sich nicht als Spezialist für Materialchemie versteht, wird deshalb auf Stereolithographie verzichten, und wenn doch, verwenden sie nur die Materialien, die von den Lieferanten bereitgestellt werden.

Wir haben versucht, diese Lücken zu schließen, da die Stereolithographie viele Vorteile gegenüber anderen Methoden hat. Der einzige Nachteil ist, dass die Materialien in einer bestimmten Formulierung vorliegen müssen, damit sie photogehärtet werden können. Aber das muss kein so großes Problem sein. Wir haben eine Reihe von Artikeln veröffentlicht, in denen wir erfolgreich Teile mit einer Reihe von industriellen Thermoplasten wie Plexiglas gedruckt haben, die Sie jetzt in sehr hohen Auflösungen in 3D drucken können.

Wo sehen Sie das als nächstes? Wie stellen Sie sich die Anwendung dieser disruptiven Technologie in verschiedenen Branchen vor?

Eine Frage, die geklärt werden muss, ist die Geschwindigkeit, die in der additiven Fertigung immer noch ein Problem darstellt. Wenn Sie die Materialprobleme lösen und ein bekanntes und etabliertes Material haben, das Sie 3D-drucken können, aber Sie können das gleiche Material auch in einem industriellen, skalierbaren Verfahren wie der Polymerreplikation verwenden, wird dies die additive Fertigung noch interessanter. Unternehmen können dann mithilfe des 3D-Drucks Prototypen erstellen, wobei dasselbe Material verwendet wird, das dann für die Fertigung verwendet wird, sodass Sie einen optimierten Prozess ohne Materialunterbrechung zwischen der Konzeptphase und der Fertigungsphase erhalten.

Das zweite große Problem ist, wie man den Prozess so weit bringt, dass die Industrie ihn im Produktionsmaßstab einsetzen kann. Wir sehen eine Zunahme der Build-Geschwindigkeit. CLIP zum Beispiel hat die Stereolithographie fast hundertmal schneller gemacht, aber sie ist immer noch zu langsam! Bei der industriellen Replikation müssen Sie den Spritzguss nicht unbedingt übertreffen, da dieser Prozess vollständig optimiert und unglaublich schnell ist, aber wenn Sie an den Punkt kommen, an dem Sie ein Bauteil über einen 3D-Druckprozess herstellen können und die Geschwindigkeit nur eine Bestellung beträgt um eine Größenordnung langsamer, dann fangen Sie plötzlich an, anders zu rechnen. Bei der additiven Fertigung benötigen Sie keine Formwerkzeuge, die für die meisten Anwendungen extrem teuer sind. Wenn sich Geschwindigkeit und Materialkosten etwas besser ausbalancieren, werden mehr Menschen ermutigt, sich mit der additiven Fertigung zu beschäftigen. Hier wird die Technik glänzen.

Geschwindigkeit, Materialien und Auflösung:Dies sind die drei Dinge, die angegangen werden müssen, um die Technologie wirklich zum Laufen zu bringen. Der nächste große Schritt wird darin bestehen, andere Materialien für den 3D-Druck zugänglich zu machen, die wir noch nie zuvor gesehen haben, einschließlich der etablierten Polymere und Metalle. Es kommen bestimmt noch mehr!

www.neptunlab.org

(Bilder mit freundlicher Genehmigung von NeptunLab)