Zintegrowane i wydajne: w dwóch krokach do celu

Próbkowy element wyprodukowany w kąpieli żywicznej z systemu HoPro3D. © Fraunhofer ILT, Aachen.

Laboratorium do testowania procesu łączenia. © Fraunhofer ILT, Aachen. / Zakład laboratoryjny do testowania procesu łączenia. © Fraunhofer ILT, Aachen, Niemcy.

Realizacja procesu MPP i DLP w kąpieli żywicznej. © Fraunhofer ILT, Aachen. / Realizacja procesu MPP i DLP w jednej kąpieli żywicznej. © Fraunhofer ILT, Aachen, Niemcy.

Wspólnie z partnerami projektu „Wysoka wydajność i szczegółowość w produkcji addytywnej poprzez połączenie polimeryzacji UV i polimeryzacji wielofotonowej – HoPro-3D“, Instytut Fraunhofera ds. Technologii Laserowych ILT opracował nowoczesny system do wytwarzania mikroelementów o wysokiej rozdzielczości za pomocą fotopolimeryzacji. Mikrostruktury polimerowe można w ten sposób produkować ekonomicznie i na zamówienie w jednym urządzeniu.

Eksperci z Fraunhofer ILT współpracowali w ramach projektu „HoPro-3D“ z firmami LightFab GmbH z Aachen, Bartels Mikrotechnik GmbH z Dortmundu oraz Miltenyi Biotec GmbH z Bergisch Gladbach nad rozwojem nowoczesnego drukarki 3D do produkcji mikroelementów z fotopolimerów. Łączy ona szybkie płaskie naświetlanie, tzw. scrolling Digital Light Processing (DLP), z wysokorozdzielczym procesem laserowym, czyli multiphotonową polimeryzacją (MPP).

Drukarka 3D HoPro-3D posiada dwa wybieralne systemy naświetlania, do wysokiej wydajności (scrolling DLP) lub wysokiej precyzji (MPP). Moduł DLP o długości fali 365 nm naświetla struktury podstawowe mikroelementu z rozdzielczością 10 μm. Dodatkowo, za pomocą femtosekundowego lasera i modułu MPP można wyświetlać kontury z rozdzielczością około 2 μm.

Metoda warstwowa umożliwia budowanie najdrobniejszych struktur MPP na już wydrukowanych strukturach DLP – w ten sposób szybko powstają rozbudowane elementy o skomplikowanej strukturze i wysokiej rozdzielczości detali. Wzorcowa próbka laboratorium pozwala na wytwarzanie elementów o podstawowej powierzchni do 60 x 100 mm².

Szybko i precyzyjnie łączyć

Oprogramowanie sterujące systemem HoPro-3D umożliwia płynne przełączanie między dwoma modułami naświetlającymi. Decyzję o zmianie metody druku można podjąć na podstawie danych CAD. Podczas warstwowego budowania elementu można wielokrotnie przełączać się między procesami.

„Koncepcja jest gotowa, a odpowiedni system został zbudowany i już szczegółowo przetestowany“, informuje dr Martin Wehner, kierownik grupy Biofabrikation w Fraunhofer ILT. Po ukończeniu systemu na wiosnę 2022 roku, urządzenie zostało już przetestowane i zoptymalizowane w ramach sieci Fraunhofer SiCellNet. Klaster SiCellNet stanowi centralne miejsce badań nad nowymi narzędziami i technikami produkcji do analizy, sortowania i dostarczania komórek. Wydajność systemu hybrydowego i sterowanie procesem zostały w ten sposób optymalnie rozwinięte.

W kolejnym projekcie „Precyzyjne budowanie poprzez bezszwowy druk 3D wysokiej rozdzielczości – PANDA“, finansowanym w ramach programu innowacji dla sektora MŚP, zespół Fraunhofer ILT od stycznia 2022 roku bada możliwości zwiększenia wydajności metod wspomaganych DLP. Uzyskane w tym zakresie wyniki mają być później zastosowane w systemie HoPro-3D, aby stopniowo poprawiać opłacalność technologii druku 3D.

Zastosowania w medycynie i analizach biomedycznych

Fraunhofer ILT jest w stanie budować mikrokanalowe struktury, co pozwala na szybkie i oszczędne opracowywanie niestandardowych aplikacji. Ponieważ nie ma konieczności zmiany maszyn, można bezpośrednio integrować mniejsze elementy funkcjonalne z większymi konstrukcjami. Zwiększona precyzja procesu MPP umożliwia wysoką lokalną gęstość funkcji podczas tworzenia elementów.

Potencjalne zastosowania obejmują: mikrofluidyczne chipy do diagnostyki laboratoryjnej i szybkich testów, mikro-mechaniczne elementy oraz kompletne mikrofluidyczne systemy do efektywnej diagnostyki Point-of-Care, umożliwiającej szybkie badania na miejscu bez konieczności korzystania z laboratoriów.

Projekt HoPro-3D trwał od listopada 2018 do grudnia 2021 roku, był koordynowany przez Fraunhofer ILT i finansowany ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego (EFRR).