Claas Willem Visser: „Ik wil materialen beheersbaar maken, om zo perfecte bouwstenen te leveren.”Foto Eric Brinkhorst

Nieuwe 3D-printer print met druppels

Claas Willem Visser Natuurkundige

Met een nieuwe printtechniek op basis van druppels is het mogelijk metalen onderdelen en levende cellen te printen.

De meeste 3D-printers printen plastic. Dat is makkelijk en goedkoop, maar om meer verschillende voorwerpen en stoffen te kunnen maken, wordt onderzoek gedaan naar het printen van verschillende soorten materialen. Zodat je met een druk op een knop een stoel, een mobiele telefoon of zelfs levende cellen kan printen.

Dat is waar natuurkundige Claas Willem Visser aan werkt. Visser ontwikkelt 3D-printtechnieken op basis van druppels. Druppels van koper, druppels van goud en zelfs druppels met levende cellen erin.

Voor het druppelprinten ontving hij in 2016 een Rubicon-beurs waardoor hij twee jaar onderzoek kon doen aan Harvard University.

Begin dit jaar presenteerde hij met collega’s van de Universiteit Twente (UT) een nieuwe techniek om levende cellen te printen. Deze methode is honderd keer sneller dan de huidige technieken.

Waarom is het lastig om andere materialen dan plastic te printen?

„Materialen zijn vaak te hard om te printen of te zacht om hun vorm te behouden na het printen. Je wilt eigenlijk een stof die een vloeistof is tijdens het printen en een vaste stof erna. Met plastic is dat vrij makkelijk, want dan verwarm je de nozzle [de spuitmond van de printer], waardoor plastic smelt als je het er doorheen drukt. Op je werkstuk koelt het vervolgens af en wordt het weer hard. En hydrogels bijvoorbeeld, die voor ruim 99 procent uit water bestaan, zijn vloeibaar, maar door chemicaliën toe te voegen worden ze vast.

„Maar bij metalen is het een ander verhaal. Neem koper. Dat heeft een smelttemperatuur boven de 1.000 graden. Je kunt de nozzle niet zomaar tot die temperatuur opwarmen, dan smelt de hele printer. Dat is de uitdaging van metalen; je moet ze extreem verhitten en dat kan niet zo makkelijk in een printer, want dan smelt het hele ding.”

Hoe lukte het u in 2015 dan toch om goud en koper te printen?

„Tijdens mijn promotie gebruikten we voor het printen van metaal een bestaande techniek waarbij je geen nozzle nodig hebt. In plaats daarvan wordt er een glasplaatje gebruikt met daarop een heel dun laagje metaal. Dat laagje is zo dun dat je erdoorheen kunt kijken. Als je daar met gefocust laserlicht op schijnt, dan absorbeert het metaal dit licht waardoor het zo heet wordt dat het smelt. Net als wanneer je zonlicht focust met een vergrootglas om een vuurtje aan te steken. Omdat het metaal heet wordt, zet het uit en wordt er een druppel uit de laag geschoten. Die druppel schiet op hoge snelheid naar beneden en wordt daar opgevangen.

„Als de druppel neerkomt kunnen er twee dingen gebeuren: hij blijft rond óf hij spreidt uit en vormt een pannenkoek. We ontdekten dat je moet zorgen dat het een pannenkoek wordt, want die kun je stapelen. Met ronde druppels is het alsof je voetballen probeert te stapelen. Dat werkt niet. De truc om pannenkoeken te maken, bleek het verhogen van de snelheid waarmee de druppels naar beneden vallen. Dit deden we door de energie van de laser te verhogen.”

Nadat het Visser met zijn collega Ralph Pohl was gelukt om metalen te printen, ging hij op zoek naar manieren om levende cellen te printen. Die techniek kan gebruikt worden om bijvoorbeeld stukjes kraakbeen of huid te printen als die bij een patiënt beschadigd zijn. De levende cellen moeten dan in de juiste vorm geprint worden. Hiervoor worden ze samengevoegd met een soort gel die hun natuurlijke omgeving nabootst, waardoor ze in leven blijven. Visser ontwikkelde met zijn collega Tom Kamperman een nieuwe manier om levende cellen te printen.

Waarom is er een nieuwe techniek nodig?

„Bij het printen van levende cellen moeten er vloeistofstroompjes op microschaal, dus kleiner dan een millimeter, beheerst worden. De inkt waar de cellen inzitten is behoorlijk dik en stroperig, anders behoudt die na het printen zijn vorm niet; dan wordt het een plasje. Deze stroperige inkt moet door de nozzle worden geperst, en oefent daarbij veel kracht uit op de cellen. Om te zorgen dat de cellen dit overleven, moet dit langzaam gebeuren. Maar dat betekent dat er enkel kleine weefsels gemaakt kunnen worden, want cellen overleven het niet om lang in de nozzle te zitten.

„Wij hebben een manier gevonden om veel sneller te kunnen printen. We stoppen de cellen in een dunne vloeistof, waardoor de krachten op de cellen zelfs bij hoge snelheid beperkt blijven, en zo schieten ze als druppels in de lucht. Dit straaltje druppels laten we in de lucht botsen met een tweede vloeistof. In de lucht doen wij manipulaties. We hebben maar een fractie van een seconde, maar dat is lang genoeg om de vloeistoffen te laten mengen, reageren of om elkaar heen te laten stromen en te stollen.”

Is deze techniek ook te gebruiken voor andere vloeistoffen?

„Ja, er zijn ook commerciële toepassingen, zoals bijvoorbeeld microdeeltjes voor cosmetica of medicijnen. De techniek is geschikt om complexe deeltjes te maken. En dat kan sneller dan bij bestaande technieken, wat handig is als je tonnen van een materiaal nodig hebt voor de productie van potjes crème of medicijnen. Daarvoor zijn de huidige technieken niet snel genoeg.

„Ook onze druppels zijn nog niet snel genoeg, maar omdat de methode op kleine schaal al honderd keer sneller is, denken we dat massaproductie haalbaar en schaalbaar is.”

Wat gaat u doen als u in mei terugkeert naar de UT?

„Ik ga een vakgroep opzetten om te bestuderen hoe vloeistofmechanica ingezet kan worden om materialen te beheersen zodat ze gebruikt kunnen worden in bijvoorbeeld 3D-printers. Mijn ambitie is om een breed scala aan technieken te ontwikkelen. Zodat we een farmacieproducent kunnen helpen met het maken van capsules, een cosmeticafabrikant met een soort druppels voor crème en een bedrijf voor biomaterialen met het ontwikkelen van weefsels.

„Mijn doel is niet om een orgaan te printen of de perfecte stoel te maken. Ik wil nieuwe kennis en technologieën ontwikkelen die het vormen van materialen beheersbaar maken, om zo de perfecte bouwstenen te maken voor anderen.

„Bij Tata Steel, waar ik hiervoor gewerkt heb, willen ze niet een perfecte auto maken, maar de perfecte staalplaat waar iemand anders een auto of een wasmachine van kan maken. Dat wil ik ook doen. Vloeistoffen gaan mijn lab in en er komen nieuwe bouwmaterialen weer uit.”

    • Dorine Schenk