Cilj HoPro-3D-a je korištenje kombiniranog stroja za proizvodnju razgranatih mikroepruveta, kao i kompletnih mikrofluidnih sustava.
Cilj HoPro-3D-a je korištenje kombiniranog stroja za proizvodnju razgranatih mikroepruveta, kao i kompletnih mikrofluidnih sustava. (Izvor: Fraunhofer ILT)

Proizvodnja može biti ili brza ili precizna – oboje se ne može postići u laserskoj proizvodnji najfinijih polimernih struktura. Ili možda može?

Znanstvenici Instituta za lasersku tehnologiju Fraunhofer ILT razvijaju stroj za visokoprecizne i isplative 3D konstrukcijske tehnologije koristeći obje metode. Dana 01. studenog 2018. godine, Fraunhofer ILT i njegovi projektni partneri pokrenuli su projekt „Visoka produktivnost i detaljnost u aditivnoj proizvodnji kombinacijom UV polimerizacije i višestruke fotonske polimerizacije – HoPro-3D“, koji financiraju Europska unija i njemačka država Sjeverna Rajna-Vestfalija.

Zajedno s Lightfab GmbH iz Aachena, Bartels Mikrotechnik GmbH iz Dortmunda i Miltenyi Biotec GmbH iz Bergisch Gladbacha, stručnjaci iz Fraunhofer ILT razvijaju novi stroj za proizvodnju makroskopskih polimernih struktura s rezolucijom u submikrometarskom rasponu. Do sada su za tu svrhu bili dostupni različiti postupci: UV polimerizacija na temelju lasera, kao što su na primjer stereolitografija (SLA) ili mikromirorni nizovi (DLP), te multifotonska polimerizacija (MPP) na mikroskopskoj skali.

U SLA procesu, UV laser piše dvodimenzionalnu strukturu u kupelji smole, uzrokujući polimerizaciju fotosenzitivnog materijala. Komponenta se spušta korak po korak, a 3D struktura je izgrađena u slojevima. U većini slučajeva, stopa nakupljanja je znatno iznad 1 mm³ u sekundi. Noviji 3D printeri koriste UV LED svjetlosne motore i DLP (Digital Light Processor) čip umjesto skenera. To omogućuje paralelnu ekspoziciju, čime se povećava brzina izrade. Obje metode postižu maksimalnu rezoluciju iznad 10 μm.

Multifotonska polimerizacija pogodna je za konstruiranje još finijih struktura. U tom procesu, potrebna energija fotona generira se intenzivnim laserskim impulsima s valnim duljinama u vidljivom ili infracrvenom području, pri čemu se nekoliko fotona niske energije gotovo zbraja do UV fotona. Prednost je izuzetno visoka preciznost do 100 nm u sva tri prostorna smjera; međutim, brzina izgradnje je samo oko 10 μm3 po sekundi.

Ušteda vremena s dva sustava u jednom stroju

Partneri na projektu sada kombiniraju proces temeljen na DLP-u s procesom MPP-a i razvijaju stroj s dva sustava koji se mogu odabrati za brzu proizvodnju ili visoku preciznost.

Oni koriste LED diode visokih performansi koje emitiraju na valnoj duljini od 365 nm i DLP čip s HD rezolucijom za litografiju. MPP modul koristi femtosekundni laser s brzim skenerom i optičkom mikroskopom.

“Prednost leži u međusobnom djelovanju dvaju postupaka: ovisno o potrebi, namjeravamo mjenjati sustave izlaganja u tom procesu”, objašnjava dr. Martin Wehner, voditelj projekta HoPro-3D u Fraunhofer ILT. “Izazov s kojim se suočavamo je kontrola procesa. Koncept je razvijen; trenutačno se gradi odgovarajući stroj. “

Osim toga, razvija se upravljački softver koji samostalno odlučuje – na temelju CAD podataka – kada je promjena između dva izvora smislena. Donja crta je da ovaj prijelaz funkcionira glatko i strukture mogu biti izgrađene u smoli bez potrebe za promjenom foto-smole. Projektni tim detaljno ispituje različite materijale i optimizira procesne kombinacije.

Mnoge komponente imaju tijelo koje se može brzo sastaviti, ali postoje i određene strukture koje zahtijevaju visoku preciznost. Kombinacija postupaka omogućuje, na primjer, optičke elemente kao što su leće ili prizme da se integriraju izravno u veću komponentu s velikom preciznošću. Zahvaljujući tom pristupu moguće je izgraditi kompletnu kolimirajuću optiku za čitanje optičkih informacija u analiznoj tehnologiji.

Područja primjene su višestruka, ali ovaj stroj bi se trebao pokazati najzanimljivijim za proizvodnju komponenti koje se koriste u tehnologiji biomedicinske analize. Podrška za 3D modele tkiva, mikromehaničke komponente ili kompletni mikrofluidni sustavi tipični su primjeri.