Miniatyrkomponenter från 3D-printer
Skrivaren för de minsta detaljerna.
www.faulhaber.com
Även om det grekiska ordet ”nano” från forntiden betyder ”dvärg” skulle dvärgen inom nanosektorn vara en jätte. I den tekniska världen innebär betydelsen av ”nano” tio upphöjt till minus nio – eller en miljarddel. Det är till och med möjligt att skapa delar som är ännu mindre än detta – till exempel de invecklade former som skapas av 3D-printern NanoOne från UpNano. Dessa skapas genom att ljuspartiklar avfyras mot utgångsmaterialet i en process som utspelas över ett område på en tusendels millimeter. Exakt positionering av substratet säkerställs genom tre kompakta, högpresterande motorer från Faulhaber.
Strukturerna som byggs upp av UpNano 3D-skrivaren är så små att det inte kan uppfattas med blotta ögat eller ens med ett starkt optiskt mikroskop. Först i ett elektronmikroskop blir de allra minsta utskriva strukturerna synliga. De är en slags ”liten sfär” eller dammpartikel med en total diameter som bara är en bråkdel av en millimeter. Stavarna som ligger till grund för konstruktionen är 100 gånger tunnare än ett mänskligt hårstrå. Strukturerna används exempelvis i medicinska experiment som ramverk för levande celler eller som mikrofilterm mikronålar eller mikrolinser.
Ett slott på pennspetsen
UpNano är en avknoppning från Wiens tekniska universitet. Grundarna bedrev forskning inom 3D-printing vid universitetet innan de tog steg över till den fria marknaden för fem år sedan. För att visa vad som är möjligt med tekniken skrev de ut en komplett modell av ett slott i flera nivåer med burspråk, avsatser, valv, två spiror och eleganta kolonner – på spetsen av en penna. Kolonnerna var endast 950 nanometer tjocka. Skrivaren som UpNano utvecklat sedan dess för att vara marknadsförberedd och nu säljs över hela världen, går ännu ett steg längre: strukturer mindre än 200 nanometer kan realiseras horisontellt och mindre än 550 nanometer vertikalt.
Tillverkningen av sådana miniatyrobjekt är möjlig tack vare så kallad 2-fotonlitografi, vilket baseras på en kvanteffekt mellan två ljuspartiklar. Dessa utlöser därigenom materialets stelning, vilket resulterar i att stabila kedjor bildas i plastmolekylerna. "För att få de avgörande fotonparen över mållinjen måste vi avfyra ett massivt antal ljuspartiklar", förklarar Peter Gruber, medgrundare och CTO för UpNano. "Detta beror på att vi behöver en enorm fotondensitet avseende både tid och rum för att åstadkomma den kontrollerade polymerisationen."
Noggrann laser möjliggör
Lasern som tillför fotonerna arbetar med extremt korta pulser med hög intensitet. Metoden möjliggör dessutom mycket hög noggrannhet, vilket Peter Gruber förklarar: "Med andra ljusbaserade 3D-utskriftsmetoder utlöses polymerisation längs hela strålgången. Som ett resultat kan produktionen endast utföras i lager. Med 2-fotonlitografi kan vi istället fokusera på en liten punkt. Punkten kan flyttas fritt genom materialet med hjälp av skrivarens högpresterande optik. Detta gör att vi kan producera nästan vilken geometrisk struktur som helst."
Förutom kanaler och andra element för mikrofluidik kan den typen av strukturer även användas för att skapa linser som trycks på i änden av enskilda glasfibrer. Utskrift kan till och med ske i befintliga mikrofluidiska chip för att lägga till ytterligare strukturer. En speciell tilläggsmodul möjliggör också printing med biomaterial, som innehåller levande celler. Polymerisation av de tredimensionella strukturerna sker endast på de avsedda platserna; cellerna i utrymmena däremellan förblir intakta. Konstruktionerna kan formas som ett cellkluster i mänsklig vävnad. I ett sådant arrangemang används de idag för farmaceutiska tester utan djurförsök.
Mikroendoskop och artificiell insemination
UpNano-kunderna är generellt sett ovilliga att berätta exakt vad de tillverkar med apparaterna. Många använder dem under strikt sekretess. "Vi känner bara till ett fåtal konkreta tillämpningar, såsom vid in vitro-fertilisering, där arbete utförs med enskilda äggceller, eller för linser i mikroendoskop", rapporterar Peter Gruber. "Våra kunder finns främst inom medicinteknik, läkemedelsindustri och telekommunikation. Det finns också fler och fler industrier som upptäcker möjligheterna med miniatyriserad 3D-utskrift för eget bruk."
Storleken på objekten som kan tillverkas med en NanoOne-skrivare sträcker sig på en skala från mindre än 150 nanometer till mer än 40 millimeter. Fyra linser med olika upplösning säkerställer maximal flexibilitet. Genomströmningen på mer än 450 kubikmillimeter per timme lägger grunden för hög produktivitet. Precisionen i utskriftsprocessen säkerställs inte bara av den högkvalitativa laseroptiken utan även av den exakta injusteringen av substratet, som är fixerat på ett rörligt stöd.
FAULHABER justerar in NanoOne-enheterna
Namnet "Automatic Tilt Correction Insert" beskriver funktionen av stödet: Det korrigerar tiltningen, som nästan är oundviklig när trycksubstratet sätts in i skrivaren. Substratets justering kan ändras på tre axlar (x, y och z) och därmed positioneras optimalt. "Vi uppnår en planhet i submikrometerområdet", betonar Peter Gruber. "Detta säkerställer att laseroptikens precision faktiskt hittar sin väg in i tryckmaterialet. Dessutom är de relevanta komponenterna frikopplade från den omgivande tekniken och höljet. Som ett resultat kan skrivaren enkelt stå på vilket stabilt bord som helst."
Den mekaniska kraften för exakt positionering av stödet tillhandahålls av tre ädelmetallkommuterade DC-växelmotorer med integrerad pulsgivare i 1512 ... SR IE2-8-serien från Faulhaber. Den unika plattlindningstekniken med tre platta, självbärande kopparlindningar möjliggör en extremt kompakt design med en diameter på 15 millimeter och en längd på endast 14,3 millimeter. Tack vare de högpresterande sällsynta jordartsmetallmagneterna levererar motorn ett särskilt högt vridmoment.
Förutom växelhuvudet är även en optisk kodare integrerad i drivenheten. "Vi valde växelmotorerna som den optimala lösningen för våra behov", säger Peter Gruber. "Idén med att välja versionen med kodare kom från FAULHABER. Uppriktningen fungerar därigenom ännu mer exakt och smidigare. I förhållande till sina små dimensioner levererar drivenheten enorm kraft. Med sin höga precision bidrar den till kvaliteten på utskriftsprocessen för våra NanoOne-enheter på en avgörande punkt."
