전문가 인터뷰:NeptunLab의 Bastian Rapp 박사

Bastian Rapp 박사는 2008년 University of Karlsruhe에서 박사 학위를 취득한 후 미세 유체 공학 및 관련 기술을 위한 3D 프린팅 응용 분야에서 세계 최고의 권위자로 부상했습니다. 칼스루에 공과대학(Karlsruhe Institute of Technology)의 미세구조 기술 연구소(IMT)에서 NeptunLab의 설립자이자 수장으로서 그의 연구는 생물의학 응용 및 생명공학을 위한 미세유체 개발에 중점을 두고 있습니다. Bastian은 우리와 함께 그의 작업에서 3D 프린팅이 수행한 역할과 기술이 발전해야 하는 핵심 영역이 무엇이라고 생각하는지 논의하기 위해 충분히 친절했습니다.

왜 3D 프린팅입니까? 처음에 이 기술을 어떻게 알게 되었나요?

저의 연구실은 마이크로시스템 엔지니어링, 재료 과학, 생화학 및 생의학 응용 분석/진단용 응용 프로그램에 중점을 두고 있습니다. 저는 항상 구성 요소를 빠르게 만들 수 있는 방법에 관심이 있었습니다. 즉, 개념 설계에서 매우 짧은 시간에 실제로 테스트할 수 있는 것으로 전환하는 것이었습니다. 마이크로시스템 엔지니어링은 극도로 미세하고 분해능이 높은 구조를 만드는 기술을 활용하지만 이러한 기술은 시간이 많이 걸립니다.

저는 적층 제조의 발전에 대해 배우고 싶었습니다. 저는 거의 12년 전에 이 분야에서 일을 시작했습니다. 제가 항상 특히 관심을 두었던 것 중 하나는 해상도의 향상이었습니다. 우리가 하는 많은 작업에서 기능 해상도는 일반 3D 프린팅의 거칠기 값 크기와 비슷하기 때문입니다. 우리는 50미크론의 내부 치수에 대해 이야기하고 있습니다! 우리는 극도로 매끄러운 표면이 필요하고 극도로 분해된 기능이 필요합니다. 그래서 해상도를 높이는 방법과 재료의 선택을 늘리는 방법을 찾고 있었습니다.

3D 프린팅에 사용되는 대부분의 폴리머는 우리가 찾고 있는 종류의 응용 분야에서 작동하지 않습니다. 그래서 우리 연구실에서는 이 분야를 발전시키기 위해 기술과 재료 개발에 집중해 왔습니다.

이 기술을 탐색하기 시작했을 때 구현 프로세스는 어땠습니까? 예를 들어, 사내에서 하시겠습니까, 아니면 아웃소싱하셨습니까?

제가 연구에 사용한 첫 번째 3D 인쇄 디자인은 실제로 ProForm이라는 스위스 회사에서 제조한 것입니다. 우리는 ProForm의 많은 디자인으로 작업했지만 결국에는 물리적/화학적 특성이 우리가 필요로 하는 것이 아니기 때문에 처리할 수 있는 대부분의 재료가 실제로 적합하지 않다는 것을 알게 되었습니다. 그래서 약 8년 전, 우리는 자체 기기 개발을 시작했고 이러한 도구를 사용하여 처리할 수 있는 재료도 개발했습니다.

많은 3D 프린팅 기술의 기본적인 문제(비록 개선되고 있지만)는 장비 제공업체에서 제공하는 특정 재료만 사용할 수 있다는 것입니다. 제조사의 카트리지에서만 작동하는 구형 잉크젯 프린터와 매우 유사한 문제입니다.

이것이 우리가 결국 "우리가 자체적으로 제작할 수 있고 거의 모든 재료를 위한 개방형 플랫폼으로 만들 수 있는데 왜 기존의 도구가 필요한가?"라고 말한 이유입니다. 그것은 우리가 새로운 재료를 테스트하기 위해 실험실에서 설정한 최초의 작업 도구였습니다. 유사한 기계가 현재 상업적으로 이용 가능합니다.

우리의 장비는 600나노미터의 달성 가능한 해상도로 대부분의 광조형 장비보다 훨씬 더 나은 해상도를 갖도록 설계되었습니다. 이는 일반적으로 시중에서 볼 수 있는 것보다 훨씬 작습니다. 또한 흥미로운 측면 치수를 얻기 위해 부품을 함께 스티칭할 수 있습니다. 예를 들어 단일 DMD(디지털 마이크로미러 장치) 칩을 600나노미터 픽셀 크기로 축소하면 작업 중인 전체 측면 필드가 밀리미터의 일부가 되므로 스티칭해야 합니다. 서로 옆에 있는 개별 프레임.

초기 단계는 어땠습니까? 이 기술을 처음 적용할 때 특별한 어려움이 있었습니까?

이것은 부품을 인쇄하기 위해 사용자 정의 소프트웨어를 작성해야 하는 시대였기 때문에 요즘 업계에서 매우 흥미로운 점입니다. 요즘에는 웹에서 디자인을 다운로드하고 표준 소프트웨어를 통해 전달하고 바로 인쇄할 수 있습니다. 상당히 발전했습니다.

그 이후로 어떻게 발전했습니까? 이 기술에 대해 어떤 종류의 응용 프로그램을 찾고 있습니까?

우리는 바이오 센서 및 분석 장치와 같은 이 기술을 사용하여 많은 미세 유체 공학을 수행했습니다. 우리는 또한 빛으로 흥미로운 일을 하는 많은 광학 장치를 만들었습니다. 예를 들어, 물리적 구조를 통해 레이저 포인터를 비추면 투영을 생성하는 프로젝터를 만들었습니다. 이와 같은 광학 부품은 앞으로 전자가 아닌 빛으로 더 많은 계산을 수행함에 따라 더욱 중요해질 것입니다. 우리는 또한 산업에서 발생하는 대규모 화학을 흐름 형식으로 줄이는 많은 chemistry-on-a-chip을 수행했습니다.

전문가들 사이에서는 어떤 평가를 받았습니까?

우리 커뮤니티에서는 차원이 매우 제한적입니다. 해상도가 충분하지 않기 때문에 시장에서 아무 악기나 구입할 수 없습니다. 결과적으로 우리 커뮤니티는 이러한 경향을 아주 천천히 받아들이고 있습니다. 시작하려면 올바른 악기를 구입하기 위해 많은 돈을 투자해야 하고, 설정하는 데도 몇 달이 걸리기 때문입니다.

다른 하나는 - 그리고 이것은 우리 분야에서 매우 중요한 것입니다 - 재료의 선택이 여전히 상당히 제한적이라는 것입니다. 3D 프린팅할 수 있는 많은 재료는 폴리머가 너무 반응성이 높기 때문에 생체 분석과 같은 응용 분야와 관련이 없습니다. 우리는 최근 유리를 사용한 3D 프린팅에 관한 논문을 발표했습니다. 이것은 우리가 추진하고 있는 아이디어입니다. 즉, 적층 제조를 위한 새로운 장비를 통해 알려진 재료에 접근할 수 있도록 하는 것입니다. 예를 들어 특정 포토폴리머를 얼마나 잘 알고 있느냐는 문제가 아닙니다. 알려진 재료에서 구조를 생성할 수 있고 유일한 새 요소는 이 구성 요소를 만드는 데 사용하는 프로세스이기 때문에 신경 쓰지 않습니다. 결국, 그것은 우리가 수십 년 동안 작업해 온 재료와 동일하게 작동하므로 재료 수용의 문제를 해결합니다. 그렇기 때문에 저는 종종 이러한 기술을 재료 혁신이 아닌 재료 프로세스 혁신으로 소개합니다. 우리는 새로운 재료를 발명한 것이 아닙니다. 우리가 이미 가지고 있는 재료로 구성 요소를 만드는 다른 방법일 뿐입니다!

산업 규모의 적층 제조에 관련된 사람들과 이야기할 때 일반적으로 두 가지 사항이 제기됩니다. 첫 번째는 재료가 아직 거기에 없다는 것이고 두 번째는 부품의 해상도가 아직 거기에 있지 않다는 것입니다. 예를 들어, SLS는 좋은 프로세스이지만 광범위한 후처리가 필요합니다. 이것을 광조형 또는 CLIP(연속 레이저 인터페이스 생산)와 같은 공정과 비교하면 연속적인 빌드업 공정이 있어 단계가 없는 경우 광학 부품에 적합한 매우 매끄러운 표면을 얻을 수 있습니다. 그러나 광조형술은 화학 기반 공정이기 때문에 한계가 있습니다. 그 결과 스스로를 재료화학의 전문가로 여기지 않는 사람들은 광조형법을 사용하지 않고, 그렇다면 공급자가 제공하는 재료만 사용합니다.

스테레오리소그래피는 다른 방법에 비해 많은 장점이 있기 때문에 이러한 격차를 해소하기 위해 노력해 왔습니다. 유일한 단점은 재료가 특정 제형이어야 하므로 광경화될 수 있다는 것입니다. 그러나 이것이 그렇게 큰 문제일 필요는 없습니다. 플렉시 유리와 같은 다양한 산업용 열가소성 수지를 사용하여 부품을 성공적으로 인쇄한 여러 논문을 발표했으며 이제 이를 매우 고해상도로 3D 인쇄할 수 있습니다.

이것이 다음에 어디로 갈 것으로 보십니까? 이 파괴적인 기술이 발전함에 따라 다양한 산업 분야에서 이를 어떻게 적용할 것으로 예상하십니까?

해결해야 할 한 가지 질문은 속도입니다. 이는 적층 제조에서 여전히 문제이기 때문입니다. 재료 문제를 해결하고 3D 프린팅할 수 있는 알려진 이미 확립된 재료를 가지고 있지만 폴리머 복제와 같은 산업적이고 확장 가능한 프로세스에서도 동일한 재료를 사용할 수 있다면 이는 적층 제조를 훨씬 더 흥미롭게 만들 것입니다. 그런 다음 회사는 제조에 사용될 동일한 재료를 사용하여 3D 프린팅을 사용하여 프로토타입을 만들 수 있으므로 개념 단계와 제조 단계 사이에 재료 중단 없이 간소화된 프로세스를 갖게 됩니다.

두 번째 큰 문제는 산업이 제조 규모에서 사용할 수 있는 수준까지 프로세스를 얻는 방법입니다. 빌드 속도가 증가하고 있습니다. 예를 들어 CLIP은 광조형을 거의 100배 더 빠르게 만들었지만 여전히 너무 느립니다! 산업용 복제를 사용하면 해당 프로세스가 완전히 최적화되고 믿을 수 없을 정도로 빠르기 때문에 반드시 사출 성형을 능가할 필요는 없지만 3D 프린팅 프로세스를 통해 구성 요소를 만들 수 있고 속도는 단 한 번의 주문에 불과한 지점에 도달하면 속도가 느려지다가 갑자기 계산을 다르게 하기 시작합니다. 적층 제조를 사용하면 대부분의 응용 분야에서 매우 비싼 성형 도구가 필요하지 않습니다. 속도 대 재료 비용의 균형이 조금 더 나아지면 더 많은 사람들이 적층 제조를 탐색하도록 권장됩니다. 여기에서 기술이 빛날 것입니다.

속도, 재료 및 해상도:이 세 가지가 기술을 실제로 시작하기 위해 해결해야 할 세 가지입니다. 다음 큰 단계는 폴리머 및 금속을 포함하여 이전에 본 적이 없는 다른 재료를 3D 프린팅에 사용할 수 있도록 하는 것입니다. 분명히 더 많은 것이 있을 것입니다!

www.neptunlab.org

(NeptunLab의 이미지 제공)