De structuren die UpNano produceert met deze 3D-printer zijn zo klein, dat ze ook onder een sterke optische microscoop niet te zien zijn. De kleinste geprinte structuren zijn alleen zichtbaar onder een elektronenmicroscoop. Ze vormen een soort "kleine sferische vorm", een stofdeeltje met een totale diameter van een fractie van een millimeter. De balken in de constructie zijn 100 keer dunner dan een menselijke haar. De structuren worden bijvoorbeeld gebruikt in medische experimenten, waar ze houvast bieden aan levende cellen, of voor microfilters, micronaalden of microlenzen.
Een kasteel op een potloodpunt
Het bedrijf UpNano is een spin-off van de Technische Universiteit Wenen. De oprichters deden hier onderzoek naar 3D-printen met hoge resolutie, voordat ze ruim vijf jaar geleden overstapten naar de particuliere sector. Om de mogelijkheden van de technologie te demonstreren, printten ze een model van een kasteel op een potloodpunt – met meerdere verdiepingen, erkers, richels, bogen, twee torens en elegante zuilen. De zuilen hadden een dikte van slechts 950 nanometer. UpNano heeft de printer inmiddels ontwikkeld en op de markt gebracht. Het apparaat kan zelfs nog nauwkeuriger werken: horizontaal kan het structuren produceren van minder dan 200 nanometer, en verticaal van minder dan 550 nanometer.
De productie van deze miniatuurobjecten is mogelijk dankzij de zogeheten 2-fotonen lithografie, die werkt op basis van een kwantumeffect tussen twee lichtdeeltjes. Dit effect activeert een verharding van het materiaal, waardoor stabiele ketens ontstaan in de kunststofmoleculen. Peter Gruber, medeoprichter en CTO van UpNano: "Om de doorslaggevende fotonenparen over de finishlijn te krijgen, moeten we ontzettend veel lichtdeeltjes afvuren. We hebben namelijk een enorme fotonendichtheid nodig in tijd en ruimte om de gecontroleerde polymerisatie te verkrijgen."
Technologie mogelijk dankzij nauwkeurige laser
De laser die de fotonen levert, werkt met extreem korte pulsen van hoge intensiteit. De methode is bijzonder nauwkeurig. Peter Gruber legt uit: "Met andere methoden voor 3D-printen op basis van licht, wordt de polymerisatie getriggerd langs het volledige pad van de straal. Hierdoor kan je alleen in lagen produceren. Met 2-fotonen lithografie kan je focussen op één minuscuul punt. Dit punt kunnen we met behulp van de krachtige optica van onze printer vrij door het materiaal bewegen. Op die manier kunnen we vrijwel iedere geometrische structuur produceren."
Dit soort structuren kunnen onder andere kanalen en andere elementen zijn voor microvloeistoffen, maar het is bijvoorbeeld ook mogelijk om lenzen te printen op de uiteinden van individuele glasvezels. Er kan zelfs worden geprint in bestaande microfluïdische chips om extra structuren aan te brengen. Met een speciale module kan bovendien worden geprint met biomateriaal, dat levende cellen bevat. Polymerisatie van de driedimensionale structuren treedt alleen op de beoogde locaties op, de cellen in de tussenruimten blijven intact. De constructies kunnen worden vormgegevens als een celcluster in menselijk weefsel. Deze optie wordt nu al toegepast voor om geneesmiddelen te testen zonder dierproeven.
Micro-endoscopen en kunstmatige inseminatie
De afnemers van UpNano houden over het algemeen geheim waar ze de 3D-printers voor gebruiken. Streng vertrouwelijk is de norm. Peter Gruber legt uit: "We weten maar van een paar concrete toepassingen, zoals IVF, waar er met individuele eicellen wordt gewerkt, en lenzen voor micro-endoscopen. De meeste van onze klanten werken in de medische technologie, in de farmaceutische industrie en in de telecommunicatie. Maar er zijn steeds meer industrieën die de mogelijkheden van 3D-printen in miniatuur ontdekken voor hun eigen toepassingen."
De NanoOne-printer kan objecten produceren van minder dan 150 nanometer tot meer dan 40 millimeter. Vier lenzen met verschillende resoluties garanderen maximale flexibiliteit. Met een productiesnelheid van meer dan 450 kubieke millimeter per uur levert de printer bovendien een hoge productiviteit. De nauwkeurigheid van het printproces wordt niet alleen gegarandeerd door de hoge kwaliteit van de optica in de laser, maar ook door de precieze uitlijning van het substraat, dat wordt bevestigd op een mobiele houder.
Aandrijvingen van FAULHABER in de NanoOne-printers
De houder heet "Automatic Tilt Correction Insert", en dat beschrijft ook precies wat hij doet. Als het substraat in de printer wordt geplaatst, zal het bijna onvermijdelijk kantelen. De houder corrigeert die kanteling automatisch. De uitlijning van het substraat kan op drie assen worden aangepast (x, y en z) voor een optimale positionering."We kunnen een vlakheid verkrijgen van minder dan een micrometer," benadrukt Peter Gruber. "Dit zorgt ervoor dat de precieze laseroptica ook daadwerkelijk het substraat bereiken. Bovendien zijn de relevante componenten losgekoppeld van de omliggende technologie en de behuizing. Hierdoor kan de printer werken op iedere stabiele tafel."
De mechanische kracht voor de nauwkeurige positionering wordt aangeleverd door drie DC-tandwielmotoren met edelmetaalcommutatie en geïntegreerde encoders uit de serie 1512 ... SR IE2-8 van FAULHABER. Dankzij hun unieke vlakke wikkelingstechnologie met drie platte, zelfdragende koperwikkelingen, zijn deze motoren ontzettend klein vormgegeven: de diameter is slechts 15 millimeter, bij een lengte van 14,3 millimeter. Door de krachtige zeldzame-aardemagneten leveren de motoren een bijzonder hoog koppel.
Naast de tandwielkast is ook de encoder geïntegreerd in de aandrijving. "We hebben tandwielmotoren gekozen als optimale oplossing voor onze behoeften", vertelt Peter Gruber. "FAULHABER stelde toen de versie met encoder voor. Hiermee werkt de uitlijning nog nauwkeuriger en soepeler. In verhouding tot het kleine formaat levert de aandrijving ontzettend veel kracht. En de hoge nauwkeurigheid draagt op een doorslaggevend punt bij aan de kwaliteit van het printproces van onze NanoOne."
Producten
