Entretien avec un expert :Dr Bastian Rapp de NeptunLab

Depuis l'obtention de son doctorat à l'Université de Karlsruhe en 2008, le Dr Bastian Rapp est devenu la principale autorité mondiale en matière d'application de l'impression 3D pour la microfluidique et les technologies connexes. En tant que fondateur et directeur de NeptunLab, à l'Institute of Microstructure Technology (IMT) de l'Institut de technologie de Karlsruhe, son travail se concentre sur le développement de la microfluidique pour les applications biomédicales et la biotechnologie. Bastian a eu la gentillesse de s'asseoir avec nous pour discuter du rôle que l'impression 3D a joué dans son travail et de ce qu'il considère comme les domaines clés dans lesquels la technologie doit évoluer.

Alors pourquoi l'impression 3D ? Comment avez-vous découvert la technologie à l'origine ?

Mon laboratoire se concentre sur les applications de l'ingénierie des microsystèmes, de la science des matériaux et de l'analyse/diagnostic pour les applications biochimiques et biomédicales. J'ai toujours été intéressé par les méthodes qui vous permettraient de fabriquer des composants rapidement - pour passer d'une conception à quelque chose que vous pourriez réellement tester en très peu de temps. L'ingénierie des microsystèmes utilise des technologies qui créent des structures extrêmement fines et hautement résolues, mais ces techniques prennent beaucoup de temps.

J'étais intrigué par les avancées de la fabrication additive. J'ai commencé dans ce domaine il y a presque 12 ans. Une chose qui m'a toujours particulièrement intéressé, ce sont les progrès en termes de résolution, car pour beaucoup de choses que nous faisons, la résolution des fonctionnalités correspond à la taille de la valeur de rugosité normale de l'impression 3D. On parle de dimensions intérieures de 50 microns ! Nous avons besoin de surfaces extrêmement lisses et nous avons besoin de caractéristiques extrêmement résolues. Je cherchais donc des méthodes qui augmentent la résolution et des moyens d'augmenter le choix des matériaux.

La plupart des polymères utilisés dans l'impression 3D ne fonctionnent tout simplement pas pour le type d'applications que nous recherchions. C'est pourquoi mon laboratoire s'est concentré sur la technologie et le développement de matériaux, afin de faire progresser le domaine à cet égard.

Quand vous avez commencé à explorer cette technologie, à quoi ressemblait le processus de mise en œuvre ? Le faisiez-vous en interne ou en sous-traitiez-vous, par exemple ?

Les premières conceptions imprimées en 3D que j'ai utilisées dans mes recherches ont en fait été fabriquées par une société suisse appelée ProForm, qui s'apprêtait déjà à créer des caractéristiques à très haute résolution avec la micro-stéréolithographie. Nous avons travaillé avec de nombreux modèles de ProForm, mais nous avons finalement découvert que la plupart des matériaux qu'ils pouvaient traiter n'étaient pas vraiment adaptés, car leurs propriétés physiques/chimiques n'étaient tout simplement pas ce dont nous avions besoin. Il y a environ huit ans, nous avons commencé à développer notre propre instrumentation et avons également développé des matériaux que vous pouvez traiter à l'aide de ces outils.

Le problème de base avec de nombreuses technologies d'impression 3D (bien que cela s'améliore) est que vous ne pouvez utiliser que les matériaux spécifiques qu'un fournisseur d'instruments vous fournirait. C'est à peu près le même problème que les anciennes imprimantes à jet d'encre qui ne fonctionnent qu'avec les cartouches du fabricant.

C'est pourquoi nous avons fini par dire « Pourquoi avons-nous besoin d'un instrument conventionnel alors que nous pourrions construire le nôtre et en faire une plate-forme ouverte pour à peu près tous les matériaux ? » C'est le premier instrument de travail que nous avons installé en laboratoire pour tester de nouveaux matériaux. Des machines similaires sont maintenant disponibles dans le commerce.

Notre instrument a été conçu pour que la résolution soit nettement meilleure que la plupart des instruments de stéréolithographie, avec une résolution atteignable de 600 nanomètres, ce qui est nettement inférieur à ce que vous trouverez généralement sur le marché. Il permet également d'assembler des pièces pour obtenir des dimensions latérales intéressantes. Par exemple, si vous prenez une seule puce DMD (dispositif à micromiroir numérique) et que vous la réduisez à une taille de pixel de 600 nanomètres, votre champ latéral global avec lequel vous travaillez sera de quelques fractions de millimètre, vous devrez donc coudre cadres individuels les uns à côté des autres.

À quoi ressemblaient les premières étapes ? L'application de cette technologie pour la première fois a-t-elle entraîné des difficultés spécifiques ?

C'est quelque chose que je trouve assez intéressant dans l'industrie de nos jours, car c'était l'époque où il fallait écrire un logiciel personnalisé pour imprimer des pièces, et ce genre de choses. De nos jours, vous pouvez télécharger des conceptions sur le Web, les transmettre à un logiciel standard et les imprimer immédiatement. C'est assez avancé.

Comment a-t-il évolué depuis ? Quels types d'applications trouvez-vous pour cette technologie ?

Nous avons fait beaucoup de microfluidique en utilisant cette technologie, comme des biocapteurs et des dispositifs analytiques. Nous avons également fait beaucoup de dispositifs optiques, qui font des choses intéressantes avec la lumière. Par exemple, nous avons créé des projecteurs dans lesquels vous faites briller un pointeur laser à travers une structure physique, qui génère ensuite une projection. Les composants optiques comme celui-ci deviendront de plus en plus importants dans les années à venir, car nous effectuons de plus en plus de calculs avec la lumière, par opposition aux électrons. Nous avons également fait beaucoup de chimie sur puce - en réduisant la chimie à grande échelle qui a lieu dans l'industrie à un format continu.

Comment a été l'adoption parmi les professionnels ?

Dans notre communauté, nous sommes très restreints en termes de dimensions. Vous ne pouvez pas acheter n'importe quel instrument sur le marché, car la résolution ne sera tout simplement pas suffisante. Du coup, ma communauté a capté ces tendances assez lentement, car pour commencer, il faut investir de grosses sommes d'argent pour acheter le bon instrument, et aussi plusieurs mois pour le mettre en place.

L'autre chose — et c'est quelque chose d'extrêmement important pour notre domaine —, c'est que le choix des matériaux est encore assez limité. De nombreux matériaux que vous pouvez imprimer en 3D ne sont pas pertinents pour des applications telles que la bio-analyse, car les polymères sont beaucoup trop réactifs. Nous avons récemment publié un article sur l'impression 3D avec du verre. C'est une idée que nous poussons :rendre les matériaux connus accessibles grâce à une nouvelle instrumentation pour la fabrication additive. Il ne s'agit alors pas de savoir si je connais bien un certain photopolymère, par exemple. Je m'en fiche, car je peux générer une structure dans un matériau connu, et le seul élément nouveau est le processus que j'utilise pour fabriquer ce composant. Au final, il se comporte de manière identique au matériau avec lequel nous travaillons depuis des décennies, ce qui résout le problème de l'acceptation du matériau. C'est pourquoi je présente souvent ces technologies comme une innovation de processus matérielle plutôt qu'une innovation matérielle. Nous n'avons pas inventé de nouveaux matériaux, c'est juste une façon différente de fabriquer des composants avec les matériaux que nous avons déjà !

Lorsque je parle à des personnes impliquées dans la fabrication additive à l'échelle industrielle, il y a généralement deux points qui sont soulevés. La première est que les matériaux ne sont tout simplement pas encore là, et la seconde est que la résolution des pièces n'est tout simplement pas encore là. Par exemple, SLS est un bon processus, mais nécessite un post-traitement approfondi. Si vous comparez cela à des processus tels que la stéréolithographie ou le CLIP (production d'interface laser en continu), où vous avez un processus de construction continu et donc aucune étape, vous pouvez obtenir des surfaces très lisses, adaptées aux composants optiques. Mais la stéréolithographie a ses limites, car il s'agit d'un processus basé sur la chimie. Par conséquent, les personnes qui ne se considèrent pas comme des spécialistes de la chimie des matériaux n'utiliseront pas la stéréolithographie, et si elles le font, elles n'utiliseront que les matériaux fournis par les fournisseurs.

Nous avons essayé de combler ces lacunes, car la stéréolithographie présente de nombreux avantages par rapport aux autres méthodes. Le seul inconvénient est que les matériaux doivent être dans une certaine formulation, afin qu'ils puissent être photo-durcis. Mais cela ne doit pas être un si gros problème. Nous avons publié un certain nombre d'articles dans lesquels nous avons réussi à imprimer des pièces en utilisant un certain nombre de thermoplastiques industriels, tels que le plexiglas, que vous pouvez désormais imprimer en 3D à très haute résolution.

Où voyez-vous cela aller ensuite ? Comment envisagez-vous que les différentes industries appliquent cette technologie de rupture à mesure qu'elle évolue ?

Une question qui devra être abordée est la vitesse, car c'est toujours un problème dans la fabrication additive. Si vous résolvez les problèmes de matériaux et disposez d'un matériau connu et établi que vous pouvez imprimer en 3D, mais que vous pouvez également utiliser le même matériau dans un processus industriel et évolutif, comme la réplication de polymères, cela rendra la fabrication additive encore plus intéressante. Les entreprises peuvent ensuite prototyper en utilisant l'impression 3D, en utilisant le même matériau qui sera ensuite utilisé pour la fabrication, de sorte que vous disposez d'un processus rationalisé sans interruption matérielle entre la phase de conception et la phase de fabrication.

Le deuxième gros problème est de savoir comment amener le processus au point où l'industrie peut l'utiliser à l'échelle de la fabrication. Nous constatons une augmentation de la vitesse de construction. CLIP par exemple, a rendu la stéréolithographie presque cent fois plus rapide, mais c'est encore trop lent ! Avec la réplication industrielle, vous n'avez pas nécessairement besoin de battre le moulage par injection, car ce processus est entièrement optimisé et incroyablement rapide, mais si vous arrivez au point où vous pouvez fabriquer un composant via un processus d'impression 3D et la vitesse n'est qu'une commande de magnitude plus lente, puis soudain vous commencez à faire votre calcul différemment. Avec la fabrication additive, vous n'avez pas besoin d'outils de moulage, qui sont extrêmement coûteux pour la plupart des applications. Si la vitesse par rapport au coût des matériaux s'équilibre un peu mieux, alors davantage de personnes seront encouragées à explorer la fabrication additive. C'est là que la technologie brillera.

Vitesse, matériaux et résolution :ce sont les trois éléments qui devront être pris en compte pour que la technologie démarre vraiment. La prochaine grande étape consistera à rendre accessibles pour l'impression 3D d'autres matériaux que nous n'avons jamais vus auparavant, notamment l'établissement de polymères et de métaux. Il y en aura certainement plus à venir !

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(Images avec l'aimable autorisation de NeptunLab)