专家访谈：NeptunLab 的 Bastian Rapp 博士

自 2008 年从卡尔斯鲁厄大学获得博士学位以来，巴斯蒂安·拉普博士已成为世界领先的微流体和相关技术 3D 打印应用的权威。作为 NeptunLab 的创始人和负责人，在卡尔斯鲁厄理工学院微结构技术研究所 (IMT)，他的工作重点是开发用于生物医学应用和生物技术的微流体技术。巴斯蒂安很友好地与我们坐下来讨论 3D 打印在他的工作中所扮演的角色，以及他认为技术需要发展的关键领域。

为什么是 3D 打印？您最初是如何发现这项技术的？

我的实验室专注于微系统工程、材料科学以及生物化学和生物医学应用的分析/诊断应用。我一直对能让你快速制作组件的方法感兴趣——从概念设计到你可以在很短的时间内实际测试的东西。微系统工程利用技术来制造极其精细、高分辨率的结构，但这些技术非常耗时。

我很想了解增材制造的进步。我大约在 12 年前开始从事这个领域。我一直特别感兴趣的一件事是分辨率方面的进步，因为我们做的很多事情，特征分辨率大约是普通 3D 打印粗糙度值的大小。我们谈论的是 50 微米的内部尺寸！我们需要极其光滑的表面，我们需要极其高分辨率的特征。所以我正在研究提高分辨率的方法，以及增加材料选择的方法。

大多数用于 3D 打印的聚合物不适用于我们正在研究的应用类型。这就是为什么我的实验室专注于技术和材料开发，以在这方面推动该领域的发展。

当您开始探索这项技术时，实施过程是怎样的？例如，您是在内部进行还是外包？

我在研究中使用的第一个 3D 打印设计实际上是由一家名为 ProForm 的瑞士公司制造的，该公司已经开始使用微立体光刻技术制作非常高分辨率的特征。我们使用了 ProForm 的许多设计，但最终我们发现他们可以处理的大多数材料并不真正合适，因为它们的物理/化学特性并不是我们所需要的。大约八年前，我们开始开发自己的仪器，并开发可以使用这些工具处理的材料。

许多 3D 打印技术的基本问题（尽管这越来越好）是您只能使用仪器供应商提供给您的特定材料。这与仅在制造商墨盒上运行的旧喷墨打印机非常相似。

这就是为什么我们最终会说“当我们可以建造自己的仪器并使其成为几乎所有材料的开放平台时，为什么我们还需要传统仪器？”那是我们在实验室中设置的用于测试新材料的第一台工作仪器。类似的机器现在可以在市场上买到。

我们的仪器经过设计，其分辨率将明显优于大多数立体光刻仪器，可实现的分辨率为 600 纳米 — 比您通常在市场上找到的分辨率要小得多。它还允许您将零件缝合在一起以获得有趣的横向尺寸。例如，如果您使用单个 DMD（数字微镜设备）芯片并将其缩小到 600 纳米像素大小，则您正在使用的整体横向场将是几分之一毫米，因此您需要缝合单独的框架彼此相邻。

早期阶段是什么样的？第一次应用这项技术时是否遇到了具体的挑战？

这是我发现当今行业非常有趣的事情，因为在那个时代，您必须编写自定义软件来打印零件，诸如此类。如今，您可以从网上下载设计，通过标准软件传递它们并立即打印。进步很大。

从那时起它是如何发展的？您正在为这项技术寻找哪些类型的应用？

我们已经使用这项技术完成了很多微流体，例如生物传感器和分析设备。我们还做了很多光学设备，用光做有趣的事情。例如，我们创建了投影仪，您可以在其中通过物理结构照射激光笔，然后生成投影。随着我们越来越多地使用光而不是电子进行计算，这样的光学元件在未来几年将变得更加重要。我们还做了很多片上化学——将工业中发生的大规模化学减少到流通形式。

专业人士的接受度如何？

在我们的社区中，我们在维度上非常受限。你不能只从市场上购买任何仪器，因为分辨率是不够的。因此，我的社区一直在缓慢地接受这些趋势，因为要开始使用，您必须投入大量资金才能购买合适的乐器，而且还需要几个月的时间来进行设置。

另一件事——这对我们的领域来说非常重要——是材料的选择仍然非常有限。许多可以 3D 打印的材料与生物分析等应用无关，因为聚合物的反应性太强了。我们最近发表了一篇关于用玻璃进行 3D 打印的论文。这是我们正在推动的一个想法：通过用于增材制造的新型仪器使已知材料变得可用。例如，这不是我对某种光敏聚合物的了解程度的问题。我不在乎那个，因为我可以用已知的材料生成结构，唯一的新元素是我用来制作这个组件的过程。最后，它的行为与我们几十年来一直使用的材料相同，因此这解决了材料接受的问题。这就是为什么我经常将这些技术称为材料工艺创新而不是材料创新。我们没有发明任何新材料——这只是用我们已有的材料制造组件的不同方式！

当我与从事工业规模增材制造的人交谈时，通常会提出两点。第一个是材料还没有到位，第二个是零件的分辨率还没有到位。例如，SLS 是一个很好的过程，但需要大量的后处理。如果将其与立体光刻或 CLIP（连续激光界面生产）等工艺进行比较，在这些工艺中，您有一个连续的构建过程，因此没有步骤，您可以获得非常光滑的表面，适用于光学元件。但是立体光刻有其局限性，因为它是一种基于化学的工艺。因此，不认为自己是材料化学专家的人不会使用立体光刻技术，如果使用，他们也只会使用供应商提供的材料。

我们一直在努力弥合这些差距，因为立体光刻比其他方法有很多优势。唯一的缺点是材料需要在一定的配方中，所以它们可以被光固化。但这不一定是一个大问题。我们发表了多篇论文，其中我们成功地使用多种工业热塑性塑料（例如有机玻璃）打印了零件，您现在可以以非常高的分辨率进行 3D 打印。

你认为接下来会发生什么？随着这种颠覆性技术的发展，您如何看待不同行业应用这种颠覆性技术？

需要解决的一个问题是速度，因为这仍然是增材制造中的一个问题。如果您解决了材料问题并拥有可以 3D 打印的已知和成熟材料，但您也可以在工业、可扩展的过程中使用相同的材​​料，例如聚合物复制，这将使增材制造变得更加有趣。然后，公司可以使用 3D 打印进行原型制作，使用的材料与随后用于制造的材料相同，这样您就拥有了一个简化的流程，在概念阶段和制造阶段之间没有材料中断。

第二个大问题是如何使过程达到工业可以在制造规模上使用它的程度。我们看到构建速度的提高。例如，CLIP 使立体光刻技术快了近一百倍，但还是太慢了！通过工业复制，您不一定需要击败注塑成型，因为该过程已完全优化且速度非常快，但是如果您达到可以通过 3D 打印过程制造组件的程度，并且速度仅为一个订单速度慢了很多，然后你突然开始以不同的方式进行计算。使用增材制造，您不需要成型工具，这对于大多数应用来说都非常昂贵。如果速度与材料成本平衡得更好，那么将鼓励更多人探索增材制造。这就是技术将大放异彩的地方。

速度、材料和分辨率：这是真正让技术启动需要解决的三件事。下一个重大步骤将是使我们以前从未见过的其他材料可用于 3D 打印，包括建立聚合物和金属。肯定还会有更多！

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（图片由 NeptunLab 提供）