Ontdekker CLIP-technologie ontwikkelt high speed printtechnologie voor microschaal componenten

Onderzoekers van het DeSimone Lab van Stanford University (VS) hebben een op CLIP 3D printtechniek gebaseerde techniek ontwikkeld waarmee ze tot 1 miljoen gedetailleerde en gepersonaliseerde microscopisch kleine deeltjes per dag kunnen 3D printen. Dat kan met uiteenlopende materialen. Toepassingen zijn te vinden in onder andere de toediening van medicijnen en vaccins, micro-elektronica, microfluïdica en middelen voor ingewikkelde fabricage.

De nieuwe technologie is gebaseerd op continuous liquid interface production, oftewel CLIP. Deze 3D printtechnologie is in 2015 ontwikkeld door Joseph DeSimone en wordt door Carbon3D commercieel op de markt gebracht. CLIP gebruikt UV-licht, geprojecteerd in plakjes, om hars snel uit te harden in de gewenste vorm. De techniek is gebaseerd op een zuurstofdoorlatend venster boven de UV-lichtprojector. Dit creëert een “dode zone” die voorkomt dat vloeibare hars uithardt en aan het venster blijft plakken. Hierdoor kunnen delicate elementen worden uitgehard zonder elke laag van het venster te scheuren, wat leidt tot sneller printen van deeltjes.

Onderdelen kleiner dan de breedte van een menselijke haar

Tot 1 miljoen onderdelen per dag

“Het gebruik van licht om objecten te maken zonder mallen opent een hele nieuwe horizon in de deeltjeswereld”, zegt Joseph DeSimone, hoogleraar Translational Medicin bij Stanford Medicine. Het proces dat de onderzoekers hebben uitgevonden voor de massaproductie van uniek gevormde deeltjes die kleiner zijn dan de breedte van een menselijke haar, doet denken aan een lopende band. Het begint met een film die zorgvuldig wordt gespannen en vervolgens naar de CLIP-printer wordt gestuurd. In de printer worden honderden vormen tegelijk op de folie geprint en dan gaat de lopende band verder om de vormen te wassen, uit te harden en te verwijderen – stappen die allemaal kunnen worden aangepast op basis van de vorm en het materiaal. Aan het einde wordt de lege folie weer opgerold, waardoor het hele proces de naam roll-to-roll CLIP, of r2rCLIP, kreeg.

Automatisering

Voordat r2rCLIP bestond, moest een batch geprinte deeltjes handmatig worden verwerkt, een langzaam en arbeidsintensief proces. De automatisering van r2rCLIP maakt nu ongekende productiesnelheden tot 1 miljoen deeltjes per dag mogelijk. De onderzoekers benadrukken dat dit werk de interdisciplinaire aard van hun team weerspiegelt en versterkt. “Dit is een integratie van disciplinaire diversiteit van hardware, software, materiaalkunde en chemische techniek die allemaal samenkomen,” zei DeSimone.

Tussen resolutie en snelheid in

Bij 3D printen is er een wisselwerking tussen resolutie en snelheid. Andere 3D printprocessen kunnen bijvoorbeeld veel kleiner printen – op nanometerschaal – maar zijn langzamer. Macroscopisch 3D printen heeft al voet aan de grond gekregen (letterlijk) in massaproductie, in de vorm van schoenen, huishoudelijke artikelen, machineonderdelen, voetbalhelmen, kunstgebitten, gehoorapparaten en nog veel meer. Het onderzoek aan het lab in Stanford richt zich op mogelijkheden tussen die werelden in. “We navigeren door een nauwkeurig evenwicht tussen snelheid en resolutie,” zei Jason Kronenfeld, promovendus in Stanford en hoofdauteur van het artikel dat dit proces beschrijft, gepubliceerd in Nature.

Hoge resolutie én hoge printsnelheid

Het onderscheidende van de r2rCLIP technologie is volgens hem het produceren van hoge-resolutie outputs met behoud van het fabricagetempo dat nodig is om te voldoen aan de productievolumes van deeltjes die experts als essentieel beschouwen voor verschillende toepassingen. “We kunnen nu veel complexere vormen maken tot op microscopische schaal, met snelheden die nog niet eerder zijn vertoond voor het maken van deeltjes, en uit een breed scala aan materialen,” zegt Jason Kronenfeld.

We gaan een wereld binnen die meer gericht is op 3D-producten dan op het proces

Van vragen naar ambities

De onderzoekers hopen dat het r2rCLIP-proces op grote schaal wordt overgenomen door andere onderzoekers en de industrie. Daarnaast gelooft Joseph DeSimone dat 3D-printen als vakgebied snel evolueert van vragen over het proces naar ambities over de mogelijkheden. “r2rCLIP is een fundamentele technologie”, zegt hij. “Ik geloof dat we nu een wereld binnengaan die meer gericht is op 3D-producten zelf dan op het proces. Deze processen worden duidelijk waardevol en nuttig. En nu is de vraag: wat zijn de hoogwaardige toepassingen? De onderzoekers zelf hebben al geëxperimenteerd met de productie van zowel harde als zachte deeltjes, gemaakt van keramiek en van hydrogels. De eerste zouden toepassingen kunnen vinden in de productie van micro-elektronica en de laatste in de toediening van medicijnen in het lichaam.

Foto DeSimone Research Group, SEM courtesy of Stanford Nano Shared Facilities)