Entrevista com um especialista:Dr. Bastian Rapp da NeptunLab

Desde que obteve seu PhD da Universidade de Karlsruhe em 2008, o Dr. Bastian Rapp tornou-se a maior autoridade mundial na aplicação de impressão 3D para microfluídica e tecnologias relacionadas. Como fundador e chefe do NeptunLab, no Instituto de Tecnologia de Microestrutura (IMT) do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe, seu trabalho se concentra no desenvolvimento de microfluídica para aplicações biomédicas e biotecnologia. Bastian teve a gentileza de se sentar conosco para discutir o papel que a impressão 3D desempenhou em seu trabalho e o que ele vê como as principais áreas em que a tecnologia precisa evoluir.





Então, por que imprimir em 3D? Como você descobriu a tecnologia originalmente?

Meu laboratório está focado em aplicativos para engenharia de microssistemas, ciência de materiais e análises / diagnósticos para aplicações bioquímicas e biomédicas. Sempre me interessei por métodos que permitissem fazer componentes rapidamente - ir de um projeto conceitual a algo que você pudesse realmente testar em um período de tempo muito curto. A engenharia de microssistema utiliza tecnologias que fazem estruturas extremamente finas e altamente resolvidas, mas essas técnicas consomem muito tempo.

Fiquei intrigado ao saber sobre os avanços na manufatura aditiva. Comecei neste campo há quase 12 anos. Uma coisa que sempre me interessou particularmente foram os avanços em termos de resolução, porque muitas das coisas que fazemos, a resolução do recurso é sobre o tamanho do valor de rugosidade da impressão 3D normal. Estamos falando sobre dimensões internas de 50 mícrons! Precisamos de superfícies extremamente lisas e de recursos extremamente bem resolvidos. Então, eu estava procurando métodos que aumentassem a resolução e maneiras de aumentar a escolha de materiais.

A maioria dos polímeros usados ​​na impressão 3D simplesmente não funciona para o tipo de aplicação que estávamos procurando. É por isso que meu laboratório tem se concentrado em tecnologia e desenvolvimento de materiais, a fim de avançar o campo a esse respeito.



Quando você começou a explorar essa tecnologia, como foi o processo de implementação? Você estava fazendo isso internamente ou terceirizando, por exemplo?

Os primeiros designs impressos em 3D que usei em minha pesquisa foram, na verdade, fabricados por uma empresa suíça chamada ProForm, que já estava começando a fazer recursos altamente resolvidos com microestereolitografia. Trabalhamos com muitos designs da ProForm, mas finalmente descobrimos que a maioria dos materiais que eles podiam processar não eram realmente adequados, porque suas propriedades físico-químicas simplesmente não eram o que precisávamos. Então, cerca de oito anos atrás, começamos a desenvolver nossa própria instrumentação e também desenvolvemos materiais que você poderia processar usando essas ferramentas.

O problema básico com muitas tecnologias de impressão 3D (embora isso esteja melhorando) é que você só pode usar os materiais específicos que um fornecedor de instrumentos forneceria. É praticamente o mesmo problema das antigas impressoras a jato de tinta que só funcionam com os cartuchos do fabricante.

É por isso que finalmente dissemos "Por que precisamos de um instrumento convencional quando poderíamos construir o nosso próprio e torná-lo uma plataforma aberta para praticamente todos os materiais?" Esse foi o primeiro instrumento de trabalho que montamos em laboratório para testar novos materiais. Máquinas semelhantes agora estão disponíveis comercialmente.

Nosso instrumento foi projetado para que a resolução fosse significativamente melhor do que a maioria dos instrumentos de estereolitografia, com uma resolução alcançável de 600 nanômetros - significativamente menor do que o que você normalmente encontrará no mercado. Ele também permite que você costure peças para obter dimensões laterais interessantes. Por exemplo, se você pegar um único chip DMD (dispositivo de microespelho digital) e reduzi-lo para um tamanho de pixel de 600 nanômetros, seu campo lateral geral com o qual você está trabalhando será de frações de um milímetro, então você precisará costurar quadros individuais próximos uns dos outros.



Como foram os primeiros estágios? Houve desafios específicos envolvidos na aplicação desta tecnologia pela primeira vez?

Isso é algo que acho muito interessante na indústria hoje em dia, pois era a época em que você tinha que escrever um software customizado para imprimir peças e esse tipo de coisa. Hoje em dia você pode baixar designs da web, passá-los por um software padrão e imprimi-los imediatamente. É um avanço bastante significativo.



Como se desenvolveu desde então? Que tipo de aplicação você está encontrando para esta tecnologia?

Fizemos muita microfluídica usando essa tecnologia, como biossensores e dispositivos analíticos. Também fizemos muitos dispositivos ópticos, que fazem coisas interessantes com a luz. Por exemplo, criamos projetores onde você direciona um apontador laser através de uma estrutura física, que então gera uma projeção. Componentes ópticos como este se tornarão mais importantes nos próximos anos, à medida que fizermos mais e mais cálculos com luz, ao invés de elétrons. Também fizemos muita química em um chip - reduzindo a química em grande escala que ocorre na indústria para um formato de fluxo contínuo.



Como tem sido a aceitação entre os profissionais?

Em nossa comunidade, somos muito restritos em termos de dimensões. Você não pode simplesmente comprar qualquer instrumento do mercado, porque a resolução simplesmente não será suficiente. Como resultado, minha comunidade está pegando essas tendências bem lentamente, porque para começar, você tem que investir grandes quantias de dinheiro para comprar o instrumento certo e também alguns meses para configurá-lo.

A outra coisa - e isso é algo extremamente importante para o nosso campo - é que a escolha de materiais ainda é bastante limitada. Muitos materiais que você pode imprimir em 3D não são relevantes para aplicações como bioanálise, pois os polímeros são muito reativos. Recentemente, publicamos um artigo sobre impressão 3D com vidro. Esta é uma ideia que estamos promovendo:tornar os materiais conhecidos acessíveis por meio de novos instrumentos para manufatura aditiva. Então, não é uma questão de quão bem eu conheço um determinado fotopolímero, por exemplo. Eu não me importo com isso, porque posso gerar uma estrutura em um material conhecido, e o único elemento novo é o processo que uso para fazer este componente. No final, ele se comporta de forma idêntica ao material com o qual trabalhamos há décadas, então isso resolve o problema de aceitação do material. É por isso que frequentemente defendo essas tecnologias como uma inovação de processo de material, em vez de uma inovação de material. Não inventamos nenhum novo material - é apenas uma maneira diferente de fazer componentes com os materiais que já temos!

Quando falo para pessoas que estão envolvidas na manufatura aditiva em escala industrial, geralmente há dois pontos que são levantados. A primeira é que os materiais ainda não estão lá e a segunda é que a resolução das partes ainda não está lá. Por exemplo, SLS é um bom processo, mas precisa de um pós-processamento extenso. Se você comparar isso a processos como estereolitografia ou CLIP (produção contínua de interface de laser), onde você tem um processo de acumulação contínuo e, portanto, nenhuma etapa, pode obter superfícies muito lisas, que são adequadas para componentes ópticos. Mas a estereolitografia tem suas limitações, pois é um processo baseado na química. Como resultado, as pessoas que não se consideram especialistas em química de materiais não usarão a estereolitografia e, se o fizerem, usarão apenas os materiais fornecidos pelos fornecedores.

Temos tentado preencher essas lacunas, pois a estereolitografia tem muitas vantagens sobre outros métodos. A única desvantagem é que os materiais precisam estar em uma determinada formulação, para que possam ser fotopolimerizados. Mas isso não precisa ser um problema tão grande. Publicamos uma série de artigos em que imprimimos com sucesso peças usando uma série de termoplásticos industriais, como plexiglass, que agora você pode imprimir em 3D em resoluções muito altas.



Para onde você vê isso a seguir? Como você vê diferentes setores aplicando essa tecnologia inovadora à medida que ela evolui?

Uma questão que precisa ser tratada é a velocidade, já que isso ainda é um problema na fabricação de aditivos. Se você resolver os problemas de material e tiver um material conhecido e estabelecido que pode imprimir em 3D, mas também pode usar o mesmo material em um processo industrial escalável, como a replicação de polímero, isso tornará a manufatura aditiva ainda mais interessante. As empresas podem então fazer o protótipo usando a impressão 3D, usando o mesmo material que será usado para a fabricação, para que você tenha um processo simplificado sem interrupção do material entre a fase de conceito e a fase de fabricação.

O segundo grande problema é como fazer com que o processo chegue ao ponto em que a indústria possa usá-lo em escala de manufatura. Estamos vendo aumentos na velocidade de construção. O CLIP, por exemplo, tornou a estereolitografia quase cem vezes mais rápida, mas ainda é muito lento! Com a replicação industrial, você não precisa necessariamente vencer a moldagem por injeção, já que esse processo é totalmente otimizado e incrivelmente rápido, mas se você chegar ao ponto em que pode fazer um componente por meio de um processo de impressão 3D e a velocidade é de apenas um pedido de magnitude mais lenta, então, de repente, você começa a fazer seus cálculos de maneira diferente. Com a manufatura aditiva, você não precisa de ferramentas de moldagem, que são extremamente caras para a maioria das aplicações. Se a velocidade versus custo de material estiver um pouco melhor, então mais pessoas serão encorajadas a explorar a manufatura aditiva. É aqui que a tecnologia vai brilhar.

Velocidade, materiais e resolução:essas são as três coisas que precisam ser abordadas para realmente iniciar a tecnologia. O próximo grande passo será tornar outros materiais acessíveis para impressão 3D que nunca vimos antes, incluindo polímeros e metais tradicionais. Definitivamente haverá mais por vir!



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(Imagens cortesia de NeptunLab)