専門家へのインタビュー：NeptunLabのDr Bastian Rapp

2008年にカールスルーエ大学で博士号を取得して以来、バスティアンラップ博士は、マイクロフルイディクスおよび関連技術への3D印刷の適用において世界をリードする権威になりました。カールスルーエ工科大学のマイクロ構造技術研究所（IMT）のNeptunLabの創設者兼責任者として、彼の仕事は生物医学的応用とバイオテクノロジーのためのマイクロフルイディクスの開発に焦点を当てています。バスティアンは親切にも私たちと一緒に座って、3D印刷が彼の仕事で果たした役割と、テクノロジーを進化させる必要のある重要な分野として彼が見ているものについて話し合ってくれました。

では、なぜ3Dプリントなのですか？もともとこのテクノロジーをどのようにして発見しましたか？

私の研究室は、マイクロシステムエンジニアリング、材料科学、および生化学および生物医学アプリケーションの分析/診断のアプリケーションに焦点を当てています。私は常に、コンポーネントをすばやく作成できる方法、つまり概念設計から非常に短時間で実際にテストできるものに移行できる方法に興味を持っていました。マイクロシステムエンジニアリングは、非常に微細で高解像度の構造を作成するテクノロジーを利用していますが、これらのテクニックには非常に時間がかかります。

アディティブマニュファクチャリングの進歩について知りたいと思いました。私はほぼ12年前にこの分野で始めました。私が常に特に興味を持っていたのは、解像度の面での進歩でした。私たちが行うことの多くは、フィーチャの解像度が通常の3D印刷の粗さの値とほぼ同じであるためです。 50ミクロンの内部寸法について話しています！非常に滑らかな表面が必要であり、非常に高解像度のフィーチャが必要です。そこで、解像度を上げる方法と、素材の選択肢を増やす方法を検討していました。

3D印刷で使用されるポリマーのほとんどは、私たちが調査していた種類のアプリケーションでは機能しません。そのため、この点でこの分野を前進させるために、私の研究室は技術と材料の開発に重点を置いてきました。

このテクノロジーの調査を開始したとき、実装プロセスはどのようなものでしたか？たとえば、社内で行ったのですか、それともアウトソーシングしたのですか？

私が研究で使用した最初の3D印刷デザインは、実際にはProFormと呼ばれるスイスの会社によって製造されました。この会社は、マイクロステレオリソグラフィーを使用して非常に高解像度の機能を作成するようになっています。 ProFormの多くのデザインを使用しましたが、最終的には、物理​​的/化学的特性が必要なものではなかったため、処理できる材料のほとんどが実際には適切ではないことがわかりました。そのため、約8年前に、独自の機器の開発を開始し、これらのツールを使用して処理できる材料も開発しました。

多くの3D印刷技術の基本的な問題は（これは改善されていますが）、計測器プロバイダーから提供される特定の材料しか使用できないことです。これは、メーカーのカートリッジでのみ動作する古いインクジェットプリンタとほとんど同じ問題です。

そのため、最終的に「独自の機器を構築し、ほぼすべての材料に対応するオープンプラットフォームにすることができるのに、なぜ従来の機器が必要なのか」と述べました。これは、新しい材料をテストするために私たちが実験室に設置した最初の作業機器でした。同様の機械が現在市販されています。

私たちの機器は、600ナノメートルの達成可能な解像度で、ほとんどのステレオリソグラフィー機器よりも大幅に優れた解像度になるように設計されています。これは、市場で通常見られるものよりも大幅に小さいものです。また、パーツをつなぎ合わせて、興味深い横方向の寸法を実現することもできます。たとえば、単一のDMD（デジタルマイクロミラーデバイス）チップを600ナノメートルのピクセルサイズに縮小すると、作業している全体的な横方向のフィールドは1ミリメートルの何分の1かになるため、ステッチする必要があります。隣り合った個々のフレーム。

初期の段階はどのようなものでしたか？このテクノロジーを初めて適用する際に、特定の課題がありましたか？

これは、パーツを印刷するためのカスタムソフトウェアを作成する必要があった時代であり、そのようなことであるため、最近の業界で非常に興味深いと思います。今日では、Webからデザインをダウンロードし、標準のソフトウェアに通して、すぐに印刷することができます。かなり進んでいます。

それ以来、どのように発展してきましたか？このテクノロジーにはどのようなアプリケーションがありますか？

バイオセンサーや分析装置など、このテクノロジーを使用して多くのマイクロフルイディクスを行ってきました。また、光を使って面白いことをする多くの光学デバイスも作成しました。たとえば、物理的な構造物を通してレーザーポインターを照らすプロジェクターを作成しました。これにより、投影が生成されます。このような光学部品は、電子ではなく光を使って計算を行うことが増えるにつれて、今後数年間でより重要になるでしょう。また、多くのケミストリーオンチップを実行しました。これにより、業界で行われる大規模なケミストリーがフロースルー形式に削減されます。

専門家の間での取り込みはどのようなものでしたか？

私たちのコミュニティでは、次元の点で非常に制限されています。解像度が十分でないため、市場から楽器を購入することはできません。その結果、私のコミュニティはこれらの傾向を非常にゆっくりと理解しています。なぜなら、始めるには、適切な楽器を購入するために多額の投資をしなければならず、またそれをセットアップするのに何ヶ月もかかるからです。

もう1つ、これは私たちの分野にとって非常に重要なことですが、材料の選択はまだかなり限られているということです。 3D印刷できる多くの材料は、ポリマーの反応性が高すぎるため、バイオ分析などのアプリケーションには関係ありません。最近、ガラスを使った3Dプリントに関する論文を発表しました。これは私たちが推進しているアイデアです。積層造形用の新しい機器を通じて既知の材料にアクセスできるようにすることです。たとえば、特定のフォトポリマーをどれだけよく知っているかは問題ではありません。既知の材料で構造を生成でき、新しい要素はこのコンポーネントの作成に使用するプロセスだけなので、それは気にしません。結局、それは私たちが何十年も使ってきた素材と同じように振る舞うので、これは素材の受容の問題を解決します。そのため、私はこれらのテクノロジーを、材料の革新ではなく、材料のプロセスの革新として売り込むことがよくあります。私たちは新しい材料を発明しませんでした—それは私たちがすでに持っている材料でコンポーネントを作る別の方法です！

私が工業規模で積層造形に携わっている人々と話すとき、通常、2つの指摘があります。 1つは、材料がまだ存在しないこと、もう1つは、パーツの解像度がまだ存在しないことです。たとえば、SLSは優れたプロセスですが、大規模な後処理が必要です。これをステレオリソグラフィーやCLIP（連続レーザーインターフェース生成）のようなプロセスと比較すると、連続的なビルドアッププロセスがあり、ステップがないため、光学部品に適した非常に滑らかな表面を実現できます。しかし、ステレオリソグラフィーは化学ベースのプロセスであるため、限界があります。その結果、自分自身を材料化学の専門家と見なしていない人は、ステレオリソグラフィーを使用せず、使用する場合は、サプライヤーから提供された材料のみを使用します。

ステレオリソグラフィーには他の方法に比べて多くの利点があるため、私たちはこれらのギャップを埋めようとしています。唯一の欠点は、材料が特定の配合である必要があるため、光硬化できることです。しかし、これはそれほど大きな問題である必要はありません。プレキシガラスなど、非常に高い解像度で3D印刷できるようになった、多くの工業用熱可塑性プラスチックを使用して部品を印刷することに成功した多くの論文を発表しました。

これは次にどこに行くと思いますか？進化するにつれて、この破壊的技術を適用するさまざまな業界をどのように想定しますか？

アディティブマニュファクチャリングではまだ問題があるため、対処する必要のある質問の1つは速度です。材料の問題を解決し、3D印刷が可能な既知の確立された材料を持っているが、ポリマー複製などの産業的でスケーラブルなプロセスでも同じ材料を使用できる場合、これは積層造形をさらに面白くします。その後、企業は3D印刷を使用してプロトタイプを作成し、製造に使用されるのと同じ材料を使用できるため、コンセプト段階と製造段階の間で材料を中断することなく、合理化されたプロセスを実現できます。

2番目の大きな問題は、プロセスをどのようにして業界が製造規模で使用できるようにするかです。ビルド速度が向上しています。たとえば、CLIPはステレオリソグラフィーをほぼ100倍高速にしましたが、それでも遅すぎます。産業用複製では、射出成形に勝る必要はありません。そのプロセスは完全に最適化されており、信じられないほど高速ですが、3D印​​刷プロセスを介してコンポーネントを作成できるようになり、速度が1桁しかない場合桁違いに遅くなると、突然、別の方法で計算を開始します。アディティブマニュファクチャリングでは、ほとんどのアプリケーションで非常に高価な成形ツールは必要ありません。速度と材料費のバランスが少し良くなれば、より多くの人々が積層造形を探求するように促されます。これがテクノロジーが輝くところです。

スピード、素材、解像度：これらは、テクノロジーを実際に開始するために対処する必要がある3つのことです。次の大きなステップは、ポリマーや金属の確立など、これまでに見たことのない他の材料を3D印刷で利用できるようにすることです。間違いなくもっと来るでしょう！

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（画像提供：NeptunLab）