Neue Hochgeschwindigkeits-3D-Drucktechnik im Mikromaßstab

3D-gedruckte mikroskopisch kleine Partikel, die so klein sind, dass sie mit bloßem Auge wie Staub aussehen, finden Anwendung in der Medikamenten- und Impfstoffabgabe, in der Mikroelektronik, in der Mikrofluidik und in Schleifmitteln für die komplizierte Fertigung. Allerdings macht die Notwendigkeit einer präzisen Koordination zwischen Lichtabgabe, Tischbewegung und Harzeigenschaften die skalierbare Herstellung solcher maßgeschneiderten Partikel im Mikromaßstab zu einer Herausforderung. Jetzt haben Forscher der Stanford University eine effizientere Verarbeitungstechnik eingeführt, mit der bis zu 1 Million hochdetaillierte und anpassbare Partikel im Mikromaßstab pro Tag gedruckt werden können.

„Wir können jetzt viel komplexere Formen bis in den mikroskopischen Maßstab erzeugen, mit Geschwindigkeiten, die bisher für die Partikelherstellung nicht gezeigt wurden, und aus einer breiten Palette von Materialien“, sagte Jason Kronenfeld, Ph.D. Kandidat im DeSimone-Labor in Stanford und Hauptautor der Arbeit, die diesen Prozess detailliert beschreibt, veröffentlicht heute in Natur.

Diese Arbeit baut auf einer Drucktechnik auf, die als Continuous Liquid Interface Production (CLIP) bekannt ist und 2015 von DeSimone und Mitarbeitern eingeführt wurde. CLIP nutzt UV-Licht, das in Scheiben projiziert wird, um Harz schnell in die gewünschte Form auszuhärten. Die Technik basiert auf einem sauerstoffdurchlässigen Fenster über dem UV-Lichtprojektor. Dadurch entsteht eine „tote Zone“, die verhindert, dass flüssiges Harz aushärtet und am Fenster kleben bleibt. Dadurch können empfindliche Merkmale ausgehärtet werden, ohne dass jede Schicht von einem Fenster abgerissen werden muss, was zu einem schnelleren Partikeldruck führt.

„Die Verwendung von Licht zur Herstellung von Objekten ohne Formen eröffnet einen völlig neuen Horizont in der Welt der Partikel“, sagte Joseph DeSimone, Sanjiv Sam Gambhir-Professor für translationale Medizin an der Stanford Medicine und korrespondierender Autor des Artikels. „Und wir sind davon überzeugt, dass sich durch die skalierbare Umsetzung Möglichkeiten für die Verwendung dieser Partikel ergeben, um die Industrien der Zukunft voranzutreiben. Wir sind gespannt, wohin dies führen kann und wo andere diese Ideen nutzen können, um ihre eigenen Ambitionen voranzutreiben.“

Rolle zu Rolle

Der von diesen Forschern erfundene Prozess zur Massenproduktion einzigartig geformter Partikel, die kleiner als die Breite eines menschlichen Haares sind, erinnert an ein Fließband. Es beginnt mit einem Film, der sorgfältig gespannt und dann an den CLIP-Drucker gesendet wird. Beim Drucker werden Hunderte von Formen auf einmal auf die Folie gedruckt, und dann bewegt sich das Fließband weiter, um die Formen zu waschen, auszuhärten und zu entfernen – Schritte, die alle je nach Form und Material individuell angepasst werden können.

Am Ende wird der leere Film wieder aufgerollt, was dem gesamten Vorgang den Namen Roll-to-Roll-CLIP oder r2rCLIP gibt. Vor r2rCLIP musste eine Charge gedruckter Partikel manuell verarbeitet werden, ein langsamer und arbeitsintensiver Prozess. Die Automatisierung von r2rCLIP ermöglicht nun beispiellose Herstellungsraten von bis zu 1 Million Partikeln pro Tag.

Wenn dies nach einer vertrauten Form der Herstellung klingt, ist das beabsichtigt.

„Man kauft keine Sachen, die man nicht herstellen kann“, sagte DeSimone, der auch Professor für Chemieingenieurwesen an der School of Engineering ist. „Die Werkzeuge, die die meisten Forscher verwenden, sind Werkzeuge zur Herstellung von Prototypen und Prüfständen sowie zum Nachweis wichtiger Punkte. Mein Labor befasst sich mit der translationalen Fertigungswissenschaft – wir entwickeln Werkzeuge, die eine Skalierung ermöglichen. Dies ist eines der großartigen Beispiele dafür, was dieser Fokus bewirkt hat.“ uns.“

Beim 3D-Druck gibt es Kompromisse zwischen Auflösung und Geschwindigkeit. Andere 3D-Druckverfahren können beispielsweise viel kleiner drucken – im Nanometerbereich –, sind aber langsamer. Und natürlich hat der makroskopische 3D-Druck bereits (im wahrsten Sinne des Wortes) in der Massenfertigung Fuß gefasst, in Form von Schuhen, Haushaltswaren, Maschinenteilen, Footballhelmen, Zahnprothesen, Hörgeräten und vielem mehr. Diese Arbeit befasst sich mit Möglichkeiten zwischen diesen Welten.

„Wir navigieren ein präzises Gleichgewicht zwischen Geschwindigkeit und Auflösung“, sagte Kronenfeld. „Unser Ansatz ist eindeutig in der Lage, hochauflösende Ergebnisse zu erzeugen und gleichzeitig das Herstellungstempo beizubehalten, das erforderlich ist, um die Partikelproduktionsmengen zu erreichen, die Experten für verschiedene Anwendungen als wesentlich erachten. Techniken mit Potenzial für translatorische Auswirkungen müssen vom Forschungslabormaßstab auf den von umsetzbar sein.“ industrielle Produktion.“

Hart und weich

Die Forscher hoffen, dass der r2rCLIP-Prozess eine breite Akzeptanz bei anderen Forschern und in der Industrie findet. Darüber hinaus ist DeSimone davon überzeugt, dass sich der 3D-Druck als Feld schnell weiterentwickelt, von Fragen zum Prozess hin zu Ambitionen hinsichtlich der Möglichkeiten.

„r2rCLIP ist eine grundlegende Technologie“, sagte DeSimone. „Aber ich glaube, dass wir jetzt in eine Welt eintreten, die sich mehr auf 3D-Produkte selbst als auf den Prozess konzentriert. Diese Prozesse werden eindeutig wertvoll und nützlich. Und jetzt stellt sich die Frage: Was sind die hochwertigen Anwendungen?“

Die Forscher ihrerseits haben bereits mit der Herstellung sowohl harter als auch weicher Partikel aus Keramik und Hydrogelen experimentiert. Ersteres könnte in der Herstellung von Mikroelektronik zum Einsatz kommen, letzteres bei der Medikamentenabgabe im Körper.

„Es gibt eine breite Palette von Anwendungen, und wir fangen gerade erst an, sie zu erforschen“, sagte Maria Dulay, leitende Forschungswissenschaftlerin im DeSimone-Labor und Mitautorin des Artikels. „Es ist ziemlich außergewöhnlich, wo wir mit dieser Technik stehen.“