Le strutture prodotte da UpNano con la sua stampante 3D sono così piccole da non poter essere viste a occhio nudo o con un potente microscopio ottico. Solo un microscopio elettronico a scansione è in grado di rendere visibili queste minuscole forme stampate. Potremmo definirle come piccole sfere o granelli di polvere con un diametro complessivo di appena una frazione di millimetro. Le barre che compongono la struttura sono 100 volte più sottili di un capello umano. Questi prodotti trovano impiego soprattutto in esperimenti medici, ad esempio, come inserti scaffold per cellule viventi o come microfiltri, microaghi o microlenti.
Un castello sulla punta di una matita
UpNano è nata come spin-off dell’Università Tecnica di Vienna. Dopo aver condotto le proprie ricerche sulla stampa 3D ad alta risoluzione all’università per oltre cinque anni i fondatori hanno deciso di intraprendere la strada del settore privato. Per dimostrare le potenzialità del proprio progetto hanno stampato sulla punta di una matita il modellino di un castello a più piani, completo di finestre sporgenti, cornici, archi, due torri ed eleganti colonne. Queste ultime con uno spessore di appena 950 nanometri. La stampante che UpNano ha continuato a sviluppare per il mercato e che sta già vendendo in tutto il mondo va ancora oltre: è in grado di realizzare strutture con uno spessore inferiore a 200 nanometri in orizzontale e a 550 nanometri in verticale.
La produzione di tali oggetti miniaturizzati è possibile grazie alla cosiddetta litografia a 2 fotoni, basata su un effetto quantico tra due particelle di luce che innescano la polimerizzazione del materiale andando a formare catene stabili nelle molecole di plastica. «Per fare in modo che le coppie di fotoni decisive arrivino al traguardo dobbiamo proiettare un'enorme quantità di particelle di luce», spiega Peter Gruber, cofondatore e direttore della divisione tecnica di UpNano. «Questo perché, per ottenere una polimerizzazione controllata, abbiamo bisogno di un'altissima densità di fotoni sia in termini di tempo che di spazio».
Tutto merito di un laser dalla precisione impeccabile
I fotoni provengono da un laser che funziona con impulsi ultra brevi e ultra intensi. Inoltre, questo metodo consente di raggiungere anche un alto grado di precisione, come illustra Peter Gruber: «In altre tecniche di stampa 3D basate sulla luce la polimerizzazione viene attivata lungo l'intero percorso del raggio. Di conseguenza, la produzione può avvenire solo a strati. Con la litografia a 2 fotoni, invece, possiamo concentrarla su un punto minuscolo. La nostra stampante è dotata di un’ottica ad alte prestazioni in grado di spostare questo punto a piacimento sul materiale. Questo ci permette di realizzare praticamente qualsiasi tipo di struttura geometrica».
Oltre ai canali e agli altri elementi utilizzati nella tecnologia microfluidica, queste strutture possono essere utilizzate anche per produrre lenti stampate sull’estremità di singole fibre di vetro. La stampa può essere effettuata anche su chip microfluidici esistenti per aggiungere ulteriori strutture. Uno speciale modulo supplementare consente anche di stampare con biomateriali contenenti cellule viventi. Dato che la polimerizzazione delle strutture tridimensionali interessa solo i punti previsti, questo consente di mantenere intatte le cellule che si trovano negli spazi intermedi. Tali costrutti possono prendere la forma di un insieme di cellule nel tessuto umano e già oggi trovano impiego nei test farmaceutici senza sperimentazione animale.
Microendoscopi e inseminazione artificiale
Solitamente i clienti di UpNano tendono a mantenere il riserbo su cosa producono di preciso con questi dispositivi. Molti li utilizzano in assoluta segretezza. «Siamo a conoscenza solo di alcune applicazioni concrete, come ad esempio la fecondazione in vitro, dove si opera con singoli ovuli, o la produzione di lenti per microendoscopi», asserisce Peter Gruber. «I nostri clienti provengono per lo più dalla tecnologia medica, dall’industria farmaceutica e dalle telecomunicazioni, ma sono sempre di più i settori che stanno scoprendo le potenzialità della stampa 3D miniaturizzata per i loro scopi».
Gli oggetti che possono essere realizzati con una stampante NanoOne hanno dimensioni che vanno da meno di 150 nanometri fino a più di 40 millimetri. La massima flessibilità nella creazione di prodotti di dimensioni diverse anche in volumi così ridotti è garantita da quattro lenti dotate di risoluzioni diverse. Questo processo mostra anche un’elevata produttività raggiungendo un volume di produzione di più di 450 millimetri cubi all'ora. La precisione del processo di stampa è garantita non solo dalla qualità delle ottiche laser bensì anche dall’allineamento preciso del substrato. Quest’ultimo è fissato su un supporto mobile.
Gli azionamenti FAULHABER nei dispositivi NanoOne
Il nome Automatic Tilt Correction Insert (ossia, inserto di correzione automatica dell’inclinazione) descrive bene la funzione di questo supporto che serve a correggere l'inclinazione che è praticamente impossibile da evitare durante l’inserimento del substrato di stampa nella stampante. L’allineamento del substrato può essere regolato su tutti e tre gli assi (x, y e z) affinché raggiunga la posizione ottimale. Otteniamo una planarità con precisione inferiore al micron», sottolinea Peter Gruber. «In questo modo si garantisce che la precisione dell’ottica laser raggiunga effettivamente il materiale di stampa. Per di più, i componenti fondamentali sono disaccoppiati dalla tecnologia circostante e dall’alloggiamento. Quindi la stampante può essere posizionata su un qualsiasi tavolo, purché sia stabile».
La forza meccanica necessaria per il posizionamento preciso del supporto è fornita da tre motoriduttori DC a spazzole con commutazione in metallo prezioso ed encoder integrato della serie 1512 ... SR IE2-8 di FAULHABER. L’esclusiva tecnologia di avvolgimento piatta con tre avvolgimenti di rame piatti ed autoportanti consente un design estremamente compatto dal diametro di 15 millimetri e una lunghezza di soli 14,3 millimetri. Grazie ai magneti in terre rare ad alte prestazioni, il motore riesce ad erogare una coppia motrice particolarmente elevata.
In questo azionamento oltre al riduttore è integrato anche un encoder ottico. «La nostra scelta è ricaduta su questi motoriduttori perché rappresentavano la soluzione ottimale per le nostre esigenze», ricorda Peter Gruber. «Il suggerimento di optare per la versione con encoder perché garantisce un orientamento più preciso e fluido è arrivato proprio da FAULHABER. A dispetto delle sue dimensioni ridotte, l’azionamento eroga un'enorme potenza. Grazie all’elevata precisione contribuisce in modo decisivo alla qualità del processo di stampa con i nostri dispositivi NanoOne».
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