Kombinované a efektivní: Ve dvou krocích k cíli

Vzorek vyrobený v Harzbad z HoPro-3D zařízení. © Fraunhofer ILT, Aachen. / Vzorová součást vyrobená v resinové lázni z systému HoPro3D. © Fraunhofer ILT, Aachen, Německo.

Laboratorní zařízení pro testování kombinovaného procesu. © Fraunhofer ILT, Aachen. / Laboratorní zařízení pro testování kombinovaného procesu. © Fraunhofer ILT, Aachen, Německo.

Realizace procesu MPP a DLP v jedné lázni s pryskyřicí. © Fraunhofer ILT, Aachen. / Realizace procesu MPP a DLP v jedné lázni s pryskyřicí. © Fraunhofer ILT, Aachen, Německo.

Společně s partnery projektu »Vysoká produktivita a detailní věrnost v aditivní výrobě kombinací UV polymerizace a mnohophotonové polymerizace – HoPro-3D«, vyvinul Fraunhoferův ústav pro laserovou techniku ILT nový systém pro výrobu mikrokomponentů s vysokým rozlišením pomocí fotozpevnění. Polymerní mikrostruktury je tak možné ekonomicky a na míru zákazníka vyrábět v jednom stroji.

Odborníci z Fraunhofer ILT spolupracovali v rámci projektu »HoPro-3D« s firmami LightFab GmbH z Aachen, Bartels Mikrotechnik GmbH z Dortmundu a Miltenyi Biotec GmbH z Bergisch Gladbach na vývoji inovativního 3D tiskárny pro výrobu mikrokomponentů z fotopolymerů. Kombinuje rychlé plošné osvětlení, tzv. scrolling Digital Light Processing (DLP), s vysoce rozlišeným laserovým procesem, multiphotonovou polymerizací (MPP).

3D tiskárna HoPro-3D má dva volitelné systémy osvětlení, buď pro vysoké rychlosti výroby (scrolling DLP), nebo pro vysokou přesnost (MPP). Modul DLP s vlnovou délkou 365 nm osvětluje základní struktury mikrokomponentu s pixelovým rozlišením 10 μm. Doplňkově lze pomocí femtosekundového laseru a modulu MPP vytvářet konturové linie s rozlišením přibližně 2 μm.

Tento vrstvený přístup umožňuje stavět jemné MPP struktury na již vytisknutých DLP strukturách – a tak rychle vznikají rozsáhlé součásti s komplexní strukturou a vysokým rozlišením detailů. Vyrobený laboratorní vzorek umožňuje výrobu dílů s plochou až 60 x 100 mm².

Rychle a přesně kombinovat

Řídicí software systému HoPro-3D umožňuje plynulou přepínání mezi oběma osvětlovacími moduly. Kdy je vhodné přepnout mezi tiskovými metodami, lze rozhodnout na základě CAD dat. Během vrstvené stavby dílu je možné mezi oběma procesy několikrát přepínat.

„Koncept je hotový a odpovídající stroj je sestavený a již podrobně otestovaný,“ uvádí Dr. Martin Wehner, vedoucí skupiny Biofabrikace na Fraunhofer ILT. Po dokončení zařízení na jaře 2022 bylo možné stroj již v rámci sítě Fraunhofer SiCellNet testovat a optimalizovat z hlediska aplikací. Cluster SiCellNet je centrem pro výzkum nových nástrojů a výrobních technik pro analýzu, třídění a dodávku buněk. Výkonnost kombinovaného zařízení a řízení procesu tak mohly být optimalizovány.

V následném projektu „Přesné stavění bezšvovým 3D tiskem vysokého rozlišení – PANDA“, financovaném v rámci inovačního programu pro střední podniky, tým Fraunhofer ILT od ledna 2022 zkoumá rozšíření výkonu DLP-technologií. Získané poznatky budou později aplikovány v systému HoPro-3D, aby se neustále zlepšovala ekonomická efektivita 3D tisku.

Využití v biomedicínské analytice

Fraunhofer ILT je schopen vytvářet mikrokanálové struktury, které umožňují vývoj zákaznických aplikací s úsporou času a nákladů. Díky tomu, že není nutné přepínat mezi různými stroji, lze přímo integrovat menší funkční prvky do větších komponentů. Zvýšená přesnost procesu MPP umožňuje vysokou místní funkční hustotu při výrobě dílů.

Existuje řada potenciálních aplikací: mikrofluidní čipy pro laboratorní diagnostiku a rychlé testy, mikromechanické díly a kompletní mikrofluidní systémy pro efektivní diagnostiku na místě (Point-of-Care), které umožňují pacientovi blízkou diagnostiku přímo na místě bez nutnosti laboratorních kontrol.

Projekt HoPro-3D probíhal od listopadu 2018 do prosince 2021, koordinoval jej Fraunhofer ILT a byl financován z prostředků Evropského fondu pro regionální rozvoj (EFRE).