Gecombineerd en efficiënt: in twee stappen naar het doel

Voorbeeldonderdeel vervaardigd in Harzbad uit de HoPro-3D-installatie. © Fraunhofer ILT, Aken. / Sample component produced in a resin bath from the HoPro3D system. © Fraunhofer ILT, Aken, Duitsland.

Laboranlage zur Erprobung des Kombinationsprozesses. © Fraunhofer ILT, Aachen. / Laboratoriumsinstallatie voor het testen van het combinatieproces. © Fraunhofer ILT, Aachen, Duitsland.

Realisierung des MPP- und DLP-Prozesses in einem Harzbad. © Fraunhofer ILT, Aachen. / Realisierung des MPP- und DLP-Prozesses in einem Harzbad. © Fraunhofer ILT, Aachen, Deutschland.

Samen met de partners van het project »Hohe Produktivität und Detailtreue in der additiven Fertigung durch Kombination von UV-Polymerisation und Mehrphotonenpolymerisation – HoPro-3D«, ontwikkelde het Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT een nieuwe installatie voor de productie van hooggedetailleerde micro-onderdelen door foto-vernetting. Polymeer microstructuren kunnen zo economisch en klant-specifiek in één machine worden vervaardigd.

De experts van het Fraunhofer ILT werkten samen met LightFab GmbH uit Aken, Bartels Mikrotechnik GmbH uit Dortmund en Miltenyi Biotec GmbH uit Bergisch Gladbach aan de ontwikkeling van een nieuwe 3D-printer voor de productie van micro-onderdelen uit fotopolymeren in het project »HoPro-3D«. Deze combineert een snelle vlakbelichting, het zogenaamde scrolling Digital Light Processing (DLP), met een hooggedetailleerd laserproces, namelijk multiphoton-polymerisatie (MPP).

De 3D-printer HoPro-3D beschikt over twee selecteerbare belichtingssystemen, voor ofwel hoge opbouwsnelheden (scrolling DLP) ofwel hoge precisie (MPP). Het DLP-module met een golflengte van 365 nm belicht de basisstructuren van een micro-onderdeel met een pixelresolutie van 10 μm. Daarnaast kunnen met een femtosecondenlaser en het MPP-module contourlijnen met een resolutie van ongeveer 2 μm worden geschreven.

Het gelaagde proces maakt het mogelijk om fijne MPP-structuren op reeds geprintte DLP-structuren op te bouwen – zo ontstaan snel uitgebreide onderdelen met een complexe structuur en hooggedetailleerde details. Het gebouwde laboratoriummodel maakt de productie van onderdelen mogelijk met een basisoppervlak tot 60 x 100 mm².

Snel en nauwkeurig combineren

De besturingssoftware van de HoPro-3D-installatie maakt een soepele wissel tussen beide belichtingsmodulen mogelijk. Wanneer een wissel tussen de drukmethoden zinvol is, kan dit op basis van de CAD-gegevens worden beslist. Tijdens de gelaagde opbouw van een onderdeel kan meerdere keren tussen beide processen worden gewisseld.

„Het concept staat en de bijbehorende machine is opgebouwd en al uitvoerig getest“, meldt Dr. Martin Wehner, hoofd van de groep Biofabricatie bij het Fraunhofer ILT. Na de voltooiing van de installatie in het voorjaar van 2022 kon de machine al toepassingsgericht worden getest en geoptimaliseerd binnen het kader van het Fraunhofer-netwerk SiCellNet. Het cluster SiCellNet vormt een centrale ontmoetingsplek voor de verkenning van nieuwe gereedschappen en fabricagetechnieken voor de analyse, sortering en beschikbaarstelling van cellen. De prestaties van de combinatiemachine en de procesbesturing konden zo optimaal worden uitgebreid.

In het vervolgproject »Precies opbouwen door naadloos 3D-printen met hoge resolutie – PANDA«, gefinancierd via het programma voor innovatie in het midden- en kleinbedrijf, onderzoekt het team van het Fraunhofer ILT sinds januari 2022 de uitbreiding van de prestaties van DLP-gestuurde processen. De opgedane inzichten zullen later worden toegepast in de HoPro-3D-installatie om de economische efficiëntie van het 3D-printproces voortdurend te verbeteren.

Toepassingen in de biomedische analyse

Het Fraunhofer ILT is in staat om microkanaalstructuren op te bouwen, om klant-specifieke toepassingen tijd- en kosteneffectief te ontwikkelen. Omdat er niet tussen verschillende machines hoeft te worden gewisseld, kunnen kleinere functietelementen direct worden geïntegreerd in grotere onderdelen. De verhoogde precisie van het MPP-proces maakt een hoge lokale functiedichtheid mogelijk bij het vervaardigen van onderdelen.

Er zijn diverse potentiële toepassingen: microfluïdische chips voor laboratoriumdiagnostiek en sneltests, micromechanische onderdelen en complete microfluïdicasystemen voor efficiënte Point-of-Care-diagnostiek bieden patiëntgerichte diagnostiek ter plaatse zonder laboratoriumcontrole.

Het project HoPro-3D liep van november 2018 tot december 2021, werd gecoördineerd door het Fraunhofer ILT en gefinancierd met middelen van het Europees Fonds voor regionale ontwikkeling (EFRE).