Entrevista con un experto:Dr. Bastian Rapp de NeptunLab

Desde que obtuvo su doctorado en la Universidad de Karlsruhe en 2008, el Dr. Bastian Rapp se ha convertido en la principal autoridad mundial en la aplicación de la impresión 3D para microfluidos y tecnologías relacionadas. Como fundador y director de NeptunLab, en el Instituto de Tecnología de Microestructura (IMT) del Instituto de Tecnología de Karlsruhe, su trabajo se centra en el desarrollo de microfluidos para aplicaciones biomédicas y biotecnología. Bastian tuvo la amabilidad de sentarse con nosotros para discutir el papel que la impresión 3D ha jugado en su trabajo y lo que él ve como las áreas clave donde la tecnología necesita evolucionar.

Entonces, ¿por qué imprimir en 3D? ¿Cómo descubrió originalmente la tecnología?

Mi laboratorio se centra en aplicaciones para ingeniería de microsistemas, ciencia de materiales y análisis / diagnóstico para aplicaciones bioquímicas y biomédicas. Siempre me interesaron los métodos que te permitirían fabricar componentes rápidamente, pasar de un diseño conceptual a algo que realmente pudieras probar en muy poco tiempo. La ingeniería de microsistemas utiliza tecnologías que hacen estructuras extremadamente finas y altamente resueltas, pero estas técnicas consumen mucho tiempo.

Me intrigó conocer los avances en la fabricación aditiva. Empecé en este campo hace casi 12 años. Una cosa que siempre me interesó particularmente fueron los avances en términos de resolución, porque muchas de las cosas que hacemos, la resolución de la función es aproximadamente del tamaño del valor de rugosidad de la impresión 3D normal. ¡Estamos hablando de dimensiones internas de 50 micrones! Necesitamos superficies extremadamente lisas y necesitamos características extremadamente resueltas. Así que estaba buscando métodos que aumenten la resolución y formas de aumentar la elección de materiales.

La mayoría de los polímeros que se utilizan en la impresión 3D simplemente no funcionan para el tipo de aplicaciones que estábamos buscando. Es por eso que mi laboratorio se ha centrado en la tecnología y el desarrollo de materiales, con el fin de hacer avanzar el campo en este sentido.

Cuando comenzó a explorar esta tecnología, ¿cómo fue el proceso de implementación? ¿Lo estaba haciendo internamente o lo subcontrataba, por ejemplo?

Los primeros diseños impresos en 3D que utilicé en mi investigación fueron fabricados por una empresa suiza llamada ProForm, que ya se estaba moviendo hacia la creación de características muy resueltas con microestereolitografía. Trabajamos con muchos diseños de ProForm, pero finalmente descubrimos que la mayoría de los materiales que podían procesar no eran realmente adecuados, porque sus propiedades físico-químicas no eran las que necesitábamos. Hace unos ocho años, comenzamos a desarrollar nuestra propia instrumentación y también desarrollamos materiales que se podían procesar con estas herramientas.

El problema básico con muchas tecnologías de impresión 3D (aunque esto está mejorando) es que solo puede usar los materiales específicos que le proporcionaría un proveedor de instrumentos. Es muy parecido al problema de las antiguas impresoras de inyección de tinta que solo funcionan con los cartuchos del fabricante.

Es por eso que finalmente dijimos:"¿Por qué necesitamos un instrumento convencional cuando podríamos construir el nuestro y convertirlo en una plataforma abierta para casi todos los materiales?" Ese fue el primer instrumento de trabajo que instalamos en el laboratorio para probar nuevos materiales. Actualmente se encuentran disponibles comercialmente máquinas similares.

Nuestro instrumento fue diseñado para que la resolución sea significativamente mejor que la de la mayoría de los instrumentos de estereolitografía, con una resolución alcanzable de 600 nanómetros, significativamente más pequeña de lo que normalmente encontrará en el mercado. También le permite unir piezas para lograr interesantes dimensiones laterales. Por ejemplo, si toma un solo chip DMD (dispositivo de microespejo digital) y lo reduce a un tamaño de píxel de 600 nanómetros, el campo lateral general con el que está trabajando será de fracciones de milímetro, por lo que deberá coser fotogramas individuales uno al lado del otro.

¿Cómo fueron las primeras etapas? ¿Hubo desafíos específicos involucrados en la aplicación de esta tecnología por primera vez?

Esto es algo que encuentro bastante interesante sobre la industria hoy en día, ya que eran los días en que tenías que escribir software personalizado para imprimir piezas y ese tipo de cosas. Hoy en día, puede descargar diseños de la web, pasarlos a través de un software estándar e imprimirlos de inmediato. Ha avanzado bastante.

¿Cómo se ha desarrollado desde entonces? ¿Qué tipo de aplicaciones encuentra para esta tecnología?

Hemos realizado una gran cantidad de microfluidos con esta tecnología, como biosensores y dispositivos analíticos. También hicimos muchos dispositivos ópticos, que hacen cosas interesantes con la luz. Por ejemplo, hemos creado proyectores en los que haces brillar un puntero láser a través de una estructura física, que luego genera una proyección. Los componentes ópticos como este se volverán más importantes en los próximos años a medida que hagamos más y más cálculos con luz, en lugar de electrones. También hicimos mucha química en un chip, reduciendo la química a gran escala que tiene lugar en la industria a un formato de flujo continuo.

¿Cómo ha sido la aceptación entre los profesionales?

En nuestra comunidad, estamos muy restringidos en cuanto a dimensiones. No puede simplemente comprar cualquier instrumento del mercado, porque la resolución simplemente no será suficiente. Como resultado, mi comunidad se ha estado dando cuenta de estas tendencias con bastante lentitud, porque para comenzar, debe invertir grandes cantidades de dinero para comprar el instrumento adecuado, y también varios meses para configurarlo.

La otra cosa, y esto es algo extremadamente importante para nuestro campo, es que la elección de materiales sigue siendo bastante limitada. Muchos materiales que puede imprimir en 3D no son relevantes para aplicaciones como la bioanálisis, ya que los polímeros son demasiado reactivos. Recientemente publicamos un artículo sobre la impresión 3D con vidrio. Esta es una idea que estamos impulsando:hacer accesibles los materiales conocidos a través de una instrumentación novedosa para la fabricación aditiva. Entonces, no se trata de qué tan bien conozco un determinado fotopolímero, por ejemplo. No me importa eso, porque puedo generar una estructura en un material conocido, y el único elemento nuevo es el proceso que utilizo para hacer este componente. Al final, se comporta de manera idéntica al material con el que hemos estado trabajando durante décadas, por lo que esto resuelve el problema de la aceptación del material. Es por eso que suelo presentar estas tecnologías como una innovación de proceso material en lugar de una innovación material. No inventamos ningún material nuevo, ¡es solo una forma diferente de hacer componentes con los materiales que ya tenemos!

Cuando hablo con personas que están involucradas en la fabricación aditiva a escala industrial, generalmente hay dos puntos que se plantean. La primera es que los materiales aún no están allí, y la segunda es que la resolución de las partes aún no está allí. Por ejemplo, SLS es un buen proceso, pero necesita un procesamiento posterior extenso. Si compara esto con procesos como la estereolitografía o CLIP (producción de interfaz láser continua), donde tiene un proceso de acumulación continuo y, por lo tanto, no hay pasos, puede lograr superficies muy lisas, que son adecuadas para componentes ópticos. Pero la estereolitografía tiene sus limitaciones, ya que es un proceso basado en la química. Como resultado, las personas que no se ven a sí mismas como especialistas en química de materiales no utilizarán la estereolitografía y, si lo hacen, solo utilizarán los materiales proporcionados por los proveedores.

Hemos intentado cerrar estas brechas, ya que la estereolitografía tiene muchas ventajas sobre otros métodos. La única desventaja es que los materiales deben tener una determinada formulación para que puedan fotopolimerizarse. Pero esto no tiene por qué ser un problema tan grande. Publicamos una serie de artículos en los que imprimimos piezas con éxito utilizando una serie de termoplásticos industriales, como el plexiglás, que ahora puede imprimir en 3D en resoluciones muy altas.

¿A dónde cree que se dirigirá ahora? ¿Cómo prevé que las diferentes industrias apliquen esta tecnología disruptiva a medida que evoluciona?

Una cuestión que deberá abordarse es la velocidad, ya que sigue siendo un problema en la fabricación aditiva. Si resuelve los problemas del material y tiene un material conocido y establecido que puede imprimir en 3D, pero también puede usar el mismo material en un proceso industrial y escalable, como la replicación de polímeros, esto hará que la fabricación aditiva sea aún más interesante. Luego, las empresas pueden hacer prototipos mediante impresión 3D, utilizando el mismo material que luego se usará para la fabricación, por lo que tiene un proceso optimizado sin interrupciones de material entre la fase de concepto y la fase de fabricación.

El segundo gran problema es cómo llevar el proceso al punto en el que la industria pueda utilizarlo a escala de fabricación. Estamos viendo aumentos en la velocidad de compilación. CLIP, por ejemplo, hizo la estereolitografía casi cien veces más rápida, ¡pero sigue siendo demasiado lenta! Con la replicación industrial, no es necesario que supere el moldeo por inyección, ya que ese proceso está totalmente optimizado y es increíblemente rápido, pero si llega al punto en el que puede hacer un componente a través de un proceso de impresión 3D y la velocidad es de solo un pedido. de magnitud más lento, luego, de repente, comienza a hacer sus cálculos de manera diferente. Con la fabricación aditiva, no necesita herramientas de moldeo, que son extremadamente caras para la mayoría de las aplicaciones. Si la velocidad frente al costo del material se equilibra un poco mejor, se alentará a más personas a explorar la fabricación aditiva. Aquí es donde brillará la tecnología.

Velocidad, materiales y resolución:estas son las tres cosas que deberán abordarse para que la tecnología realmente se ponga en marcha. El próximo gran paso será hacer que otros materiales sean accesibles para la impresión 3D que nunca antes habíamos visto, incluido el establecimiento de polímeros y metales. ¡Definitivamente habrá más por venir!

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(Imágenes cortesía de NeptunLab)