Mikro 3D tisk pro univerzity: když běžný 3D tisk už nestačí

Ve výzkumu a vývoji se často pracuje s díly, u kterých záleží na každém mikrometru. Běžně se jedná například o miniaturní senzory, mikrofluidní čipy nebo jiné drobné mechanické součásti. Celý díl přitom může mít jen několik milimetrů a jeho nejmenší struktury mohou být velké jen desítky mikrometrů. 

Výroba takto malých a přesných dílů ale není jednoduchá. Běžné 3D tiskárny na podobnou úroveň detailu nestačí a tradiční mikrovýroba může být pro výzkumné projekty zbytečně složitá a časově náročná. Každá změna návrhu pak znamená další výrobní krok, což zpomaluje testování nových variant. 

Právě tady přichází na řadu mikroprecizní 3D tisk. Technologie PµSL od společnosti Boston Micro Fabrication (BMF) umožňuje vyrábět velmi malé a přesné díly přímo z digitálního návrhu. Nejvyšší modely řady microArch pracují s rozlišením 2 µm, další systémy nabízejí 10 nebo 25 µm. Výzkumník tak může návrh upravit, vytisknout novou variantu a rovnou ji otestovat bez nutnosti vyrábět nový nástroj. 
 

Proč mikro 3D tisk dává smysl právě na univerzitě 

Výzkum málokdy probíhá tak, že se jednou navrhne součástka a tím je hotovo. Návrh se průběžně mění podle výsledků experimentu, zkoušejí se různé varianty a někdy je potřeba vyrobit jen několik kusů. 

Právě v takové situaci může být klasická mikrovýroba zbytečně náročná. Pokud je potřeba připravit nový nástroj nebo opakovat část výrobního procesu pokaždé, když se návrh změní, celý výzkum se zpomaluje. U 3D tisku se změna konstrukce promítne přímo do tiskových dat a další varianta může vzniknout bez nového nástroje. 

Pro univerzitní pracoviště tak může vlastní mikro 3D tiskárna znamenat především: 

• rychlejší výrobu experimentálních dílů, 
• jednodušší testování různých variant, 
• možnost vyrábět i jednotlivé kusy, 
• přístup studentů k technologii mikroprecizní výroby, 
• využití jednoho zařízení pro více výzkumných projektů. 

Pro univerzitu navíc nejde jen o nové vybavení laboratoře. Vlastní mikro 3D tisk může rozšířit možnosti výuky i výzkumu a otevřít prostor pro nové projekty, publikace nebo spolupráci s průmyslem.  

Technologie BMF se už uplatnila ve více než 400 vědeckých publikacích z oblasti mikrofluidiky, biomedicíny, metamateriálů, optiky, robotiky nebo senzoriky. Podívejme se na několik konkrétních výzkumných projektů, ve kterých mikro 3D tisk pomohl vyrábět malé a přesné struktury. 
 

Citlivější senzory díky mikrostruktuře 

Výzkumný tým z Harbin Institute of Technology se zabýval vývojem elektrod pro citlivější detekci biomarkerů. Místo klasické rovné plochy navrhl elektrodu s polem drobných sloupků. Díky nim má elektroda při stejných vnějších rozměrech mnohem větší aktivní povrch, což zvyšuje elektrický signál při měření. 

Pro výrobu těchto mikrostruktur tým použil 3D tiskárnu BMF NanoArch P140. Nejprve vytiskl master model s řadou sloupků, ze kterého následně vyrobil polymerní elektrody. Testoval přitom různé výšky sloupků – 100, 300 a 500 µm. Nejvyšší varianta dosáhla při měření peroxidu vodíku 1,5× vyšší citlivosti než rovná elektroda. Výzkumníci ji následně použili také pro detekci sarkosinu, potenciálního biomarkeru rakoviny prostaty. 

Výzkum dobře ukazuje jednu z výhod 3D tisku pro podobné aplikace. Pokud chtějí vědci změnit tvar nebo rozměry mikrostruktury, mohou upravit digitální návrh a připravit další variantu. Nemusí kvůli každé změně vyrábět nový nástroj. 
 

Mikrofluidika: když záleží na tvaru každého kanálku 

V mikrofluidice se pracuje s velmi malými objemy kapalin a kanálky, které mohou mít jen desítky až stovky mikrometrů. Jejich velikost a tvar přitom ovlivňují, jak se kapalina uvnitř zařízení pohybuje. 

Na Heidelberg University je mikro 3D tisk součástí Microfluidics Core Facility při Institute for Molecular Systems Engineering and Advanced Materials. Pracoviště využívá mikro 3D tisk pro výrobu mikrofluidních zařízení, mikrojamek a dalších struktur používaných například při výzkumu buněk a organ-on-chip systémů.  

Právě u podobných aplikací je důležitá možnost vyrábět složité kanálky přímo podle digitálního návrhu. Pokud výzkumný tým potřebuje změnit jejich tvar nebo uspořádání, může upravit model a připravit další variantu bez výroby nové formy. BMF technologii PµSL využívá také pro výrobu trojrozměrných mikrokanálků a přesných forem pro další zpracování, například při výrobě PDMS struktur. 
 

Když se inspirací stane příroda: senzor inspirovaný vousy tuleňů 

Mikro 3D tisk se nevyužívá jen pro výrobu malých součástek. Uplatnění nachází také při vývoji nových struktur, které napodobují přírodní tvary. 

Příkladem je výzkum na University of Groningen zaměřený na senzor inspirovaný vousy tuleňů. Výzkumníci využili 3D data skutečných vousů a pomocí PµSL vytvořili jejich přesné modely. Ty následně spojili se snímací částí senzoru a sledovali, jak různé tvary reagují na proudění vody. Pro výrobu použili BMF microArch S240. 

Výhodou 3D tisku je v tomto případě především možnost převést složitý přírodní tvar přímo do digitálního modelu a následně jej vyrobit. Výzkumníci tak mohou porovnávat různé varianty a hledat konstrukci, která pro danou aplikaci funguje nejlépe. Studie zároveň ukazuje, že mikro 3D tisk může spojit výzkum z různých oblastí – v tomto případě biologie, materiálového výzkumu a strojírenství. 

Podobně se mikro 3D tisk uplatňuje také při vývoji metamateriálů. U nich výsledné vlastnosti totiž nezávisí pouze na použitém materiálu, ale také na jeho vnitřní struktuře. V publikacích využívajících technologii BMF se objevují například mikromřížky, struktury s negativním Poissonovým poměrem nebo metamateriály inspirované přírodními materiály. 
 

Od mikrojehel po miniaturní roboty 

Mikro 3D tisk nachází uplatnění také v biomedicíně a robotice, kde je potřeba dostat funkční mechanismy do velmi malého prostoru. V publikacích využívajících technologie BMF se objevují například mikrojehly, mikrofluidní zařízení a další struktury určené pro práci s biologickými vzorky. 

Na University of Leeds se výzkumný tým zabýval vývojem malých měkkých robotických systémů pro chirurgii. Při konstrukci endoskopu však narazil na limity běžně dostupného 3D tisku a potřeboval vyrábět menší a přesnější součásti. Mikro 3D tisk BMF umožnil tyto díly vyrábět v rozměrech potřebných pro jejich návrh. 

Podobné aplikace jsou zajímavé také pro katedry strojírenství, robotiky nebo biomedicínského inženýrství. Mikro 3D tisk umožňuje vyrábět velmi malé mechanické systémy přímo podle digitálního návrhu a rychle ověřovat jejich funkci. 
 

Proč BMF, když existují i jiné mikro 3D tiskárny? 

Mikro 3D tisk není jen zmenšená verze běžné SLA 3D tiskárny. U klasického SLA začíná být při velmi malých rozměrech problém s reprodukcí jemných detailů. Naopak technologie založené na dvoufotonové polymeraci dokážou pracovat s ještě menšími strukturami, ale výroba jednotlivých dílů je pomalejší. 

BMF používá technologii PµSL, která pomocí přesné projekce UV světla vytvrzuje celou vrstvu materiálu najednou. Díky tomu kombinuje vysoké rozlišení s rychlejší výrobou a hodí se i pro situace, kdy výzkumný tým potřebuje připravit více variant jednoho návrhu.  

Oproti klasické mikrovýrobě je další výhodou samotný způsob výroby. U obrábění nebo vstřikování je potřeba připravit nástroj, který může být časově i finančně náročný. U 3D tisku stačí upravit digitální model a připravit další tisk. Pro výzkum, kde se návrh často mění a vyrábějí se malé série, je tento rozdíl zásadní. 

Výhodou BMF je také šíře použití. Portfolio microArch nabízí různé úrovně přesnosti, velikosti tiskového prostoru i materiálové možnosti. Univerzita tak nemusí vybírat technologii pouze podle maximálního rozlišení, ale podle konkrétních požadavků svého výzkumu. 
 

Od 2 do 25 µm podle toho, co potřebujete vyrábět 

BMF nabízí několik systémů microArch. Liší se především rozlišením, velikostí pracovního prostoru a možnostmi použitých materiálů. 

• 2 µm – microArch S230: nejvyšší rozlišení v nabídce BMF pro aplikace s velmi jemnými strukturami. Pracovní prostor je 50 × 50 × 50 mm. 

• 10 µm – microArch S140 a S240: řešení pro široké spektrum mikroprecizních aplikací. S240 nabízí větší pracovní prostor 100 × 100 × 75 mm a podporuje také keramické materiály. S140 má kompaktnější provedení a pracovní prostor 94 × 52 × 45 mm. 

• 25 µm – microArch S150 a S350: systémy pro aplikace, kde je důležitá mikropreciznost, ale také praktičnost a větší objem výroby. S150 je kompaktní řešení vhodné pro výzkum, vývoj a prototypování, zatímco S350 nabízí větší pracovní prostor a vyšší produktivitu. 

Podle konkrétního systému lze pracovat s různými fotopolymerními materiály a u vybraných tiskáren také s keramikou. Pro výzkumné pracoviště tak není důležitá jen samotná přesnost, ale také to, jaké materiály a velikosti dílů dané projekty vyžadují. 
 

Jedna tiskárna pro více výzkumných projektů 

Mikro 3D tisk nemusí být technologií vyhrazenou jediné laboratoři. Právě na univerzitě může dávat smysl jako sdílené vybavení, které využijí různé výzkumné týmy podle aktuálních projektů. Heidelberg University je příkladem takového využití. Mikro 3D tisk je zde součástí Microfluidics Core Facility, která podporuje výzkum mikrofluidních zařízení a souvisejících aplikací.  

Podobný model může fungovat také na technických a přírodovědných fakultách. Jedna laboratoř může tiskárnu využívat pro mikrofluidní čipy, jiná pro senzory a další pro miniaturní mechanické nebo biomedicínské díly. Studenti se zároveň mohou s technologií setkat přímo během výuky nebo při práci na vlastních výzkumných projektech. 
 

Mikro 3D tisk jako nástroj pro rychlejší výzkum 

Největší přínos mikro 3D tisku nemusí spočívat v tom, že nahradí jednu konkrétní výrobní metodu. Důležité je také to, že výzkumnému týmu umožní rychleji ověřovat nové nápady. 

Mikrofluidní čip, miniaturní senzor, mikrojehla nebo mechanická struktura může vzniknout přímo z digitálního návrhu. Když první varianta nefunguje, návrh se upraví a může vzniknout další vzorek. 

Právě možnost rychle přecházet mezi návrhem, výrobou a testováním je pro výzkum zásadní. Místo dlouhého čekání na výrobu může být další prototyp součástí samotného výzkumného procesu. 
 

Chcete zjistit, zda má mikro 3D tisk smysl i pro váš výzkum? 

Nemusí přitom jít o hotový návrh součástky. Stačí problém, který se dnes obtížně vyrábí – příliš malé kanálky, složitá geometrie, potřeba rychle vyzkoušet několik variant nebo díl, pro který nedává smysl připravovat klasický nástroj. 

3Dees je partnerem Boston Micro Fabrication pro Českou republiku a Slovensko a nabízí technologie microArch, technické poradenství i aplikační podporu. 

Ozvěte se nám a společně probereme váš konkrétní výzkumný projekt. Pomůžeme posoudit, jakou přesnost potřebujete, jaký typ tiskárny je pro danou aplikaci vhodný a zda mikro 3D tisk dává smysl právě pro vaše pracoviště.