Snel dat kapotte haakje vervangen of een superhippe gadget maken? Een 3D-printer is dan ontzettend handig. Ook voor laboratoriumdoeleinden zijn inmiddels talloze DIY-modellen voor 3D-printers beschikbaar: van onderzetringen tot sensoren en molecuulmodellen. Eén van de meest gedownloade modellen is de ultimate laboratory bench organiser  van Vittorio Saggiomo, associate professor bij de BioNanoTechnology group van de Wageningen UR. Deze modulaire opberghulp is ideaal om alle kleine laboratoriumspulletjes, zoals epjes, spatels en cuvetten perfect te organiseren.

Maar voor Saggiomo is dit ‘hobby-printen’ slechts het startpunt. In zijn onderzoeksgroep worden 3D-printers ingezet om apparatuur te ontwerpen en te produceren die nodig is voor experimenten. ‘Het gaat vaak om dingen die niet te koop of moeilijk verkrijgbaar zijn’, legt hij uit. Dat probleem speelt binnen verschillende onderzoeksvelden, waaronder microfluidics. Saggiomo ontwikkelde een vernuftige technologie om microkanaaltjes te produceren met behulp van een 3D-printer, de zogenaamde Embedded SCAffold RemovinG Open Technology  (ESCARGOT). Het ‘opofferingsmateriaal’ voor de kanaaltjes wordt in ABS geprint. Deze dunne draadjes worden vervolgens in PDMS (polydimethylsiloxaan) gegoten. Omdat ABS oplost in aceton, kan het ‘opofferingsmateriaal’ gemakkelijk worden verwijderd en ontstaat er een microkanaaltje.  

‘We zijn in de afgelopen decennia veel praktische kennis over apparatuur kwijtgeraakt’ 

Vittorio Saggiomo, Wageningen UR 

Kosten 

Ook Stephen Hilton, hoogleraar Chemistry and Enabling Technologies aan University College London gebruikt 3D-printers om dure apparatuur zelf te maken. Zijn lab gebruikt flowchemie voor de synthese van complexe moleculen, maar commerciële flowreactoren zijn erg duur. Hilton: ‘Bij een mislukte reactie blokkeerde de reactor en werd onbruikbaar. Dat was steeds een kostenpost van zo’n 2000 pond [ruim €2300, red.]. Door de core van de reactor zelf te printen konden we de kosten verlagen naar 50 pence [€0,57, red.] en wordt ons onderzoek niet beperkt door de kostenfactor.’ 

‘Door de core van de reactor zelf te printen konden we de kosten verlagen van 2000 pond naar 50 pence’

Stephen Hilton, University College London  

Hilton laat zien dat er nog veel meer mogelijk is met 3D-printers. Zijn groep ontwikkelde bijvoorbeeld roerders met een geïntegreerde katalysator. ‘Door een katalysator tijdens de polymerisatiereactie in het reactiemengsel te brengen, wordt de katalysator in het polymeer ingebed. Dit materiaal gebruiken we om verschillende types roerders te printen, voorzien van verschillende metaalkatalysatoren.’ In het Hilton lab zijn 3D-printers niet meer weg te denken; ze beschikken momenteel over 35 exemplaren.  

Injectierobot 

Saggiomo gaat nog een stap verder. Hij ‘hackt’ 3D-printers. ‘Tegenwoordig heb je al een 3D-printer voor zo’n 150 euro. Je hebt dan eigenlijk een heel goedkope robot in handen.’ De eerste stappen van dit ingenieuze ‘misbruik’ van 3D-printers werden in de corona-periode gezet. ‘Ik werkte thuis en wilde een injectiepomp maken. De 3D-printer die ik had, had alles in zich om als basis te dienen. Onze groep heeft hem eerst gebruikt om alle onderdelen te printen en daarna omgebouwd tot injectierobot.’ 

Inmiddels heeft Saggiomo, samen met andere laboratoria, verschillende apparaten gebouwd gebaseerd op 3D-printers, waaronder microscopen en een automated microscope slide stainer  voor histologische doeleinden. Hij zou graag zien dat 3D-printers breder worden toegepast in (universiteits-)laboratoria, omdat het de inventiviteit van studenten vergroot: ‘Iedere student zou de beschikking moeten hebben over een prototyping lab, met 3D-print faciliteiten, lasercutters en cnc-machines. We zijn in de afgelopen decennia veel praktische kennis over apparatuur kwijtgeraakt. Onderzoekers bouwden vroeger zelf de apparatuur die ze voor hun experimenten gebruikten. Nu kopen we apparaten zonder te weten hoe ze werken.’  

Spuitgieten 

Hoewel 3D-printers voor de twee creatieve wetenschappers geen beperkingen hebben, werken labs in de industrie hoofdzakelijk met gestandaardiseerde materialen, gemaakt door middel van spuitgieten. ‘Als het echt om nauwkeurige, maatvaste onderdelen gaat, leveren 3D-printers vaak niet de vereiste precisie’, zegt Michael Greiner, Head of Research & Development bij Bürkle, een Duitse fabrikant van laboratoriumartikelen. Ook de mechanische sterkte is volgens hem minder goed beheersbaar. ‘Bij fused deposition modeling  worden kunststofdraden over elkaar heen gelegd en met elkaar versmolten. Afhankelijk van de afdrukoriëntatie en de positie van de lagen kan een model in de ene richting gemakkelijker breken dan in de andere. Dit kan leiden tot voortijdige breuk bij mechanisch belaste onderdelen.’ 

Daarnaast is certificering van 3D-geprinte producten voor gebruik in de voedingsmiddelenindustrie of cleanrooms complex. De volledige procesketen moet streng gecontroleerd worden. Hoewel er voedselveilige filamenten bestaan, is de 3D-print procesketen niet ingericht op deze toepassingen. Spuitmonden zijn vaak gemaakt van messing en kunnen lood bevatten. Standaard smeermiddelen zijn niet geschikt voor food-contact. Spuitgegoten producten zijn gladder en beter microbiologisch te controleren, bijvoorbeeld bij sterilisatie met gammastraling. 

’Als het echt om nauwkeurige, maatvaste onderdelen gaat, leveren 3D-printers vaak niet de vereiste precisie’

Michael Greiner, Bürkle  

Chemische bestendigheid vormt een extra uitdaging. Veelgebruikte filamenten zoals PLA, PETG en ABS lossen op in respectievelijk gechloreerde oplosmiddelen of aceton. Voor toepassingen die chemische resistentie vereisen, worden daarom materialen als PP of PVDF gebruikt. Deze zijn wel te printen met nieuwere printers, maar tegen hogere kosten. Voor grotere aantallen is het spuitgietproces bovendien veel goedkoper. 

Bürkle gebruikt 3D-printing met name voor interne doeleinden, vertelt Greiner. ‘We printen onderdelen voor testdoeleinden en prototypes van mogelijke nieuwe producten. De geprinte prototypes zijn uitstekend geschikt om snel iets in handen te hebben, de afmetingen en het gevoel te beoordelen en eerste functionele tests uit te voeren.’ Hilton is het daar mee eens: ‘Je moet geen pipetpunten in 3D-printen, dat loont niet. Maar voor nieuwe artikelen met een oplage van 200 tot 300 stuks is het ook voor bedrijven zeker interessant.’