Miniatűr komponensek a 3D nyomatóból
Habár az ógörög „nano” jelentése „törpe”, a nanoszektorban a törpe igazi óriás. A technika világában a „nano” tíz a mínusz kilencedikent, vagyis egy milliárdnyit jelent. És még ennél is kisebb alkatrészek lehetségesek – például az UpNano NanoOne 3D nyomtatójából kikerülő bonyolult formák. Ezek előállításához fényrészecskéket lőnek a kiindulási anyagra. A folyamat az ezredmilliméteres tartományban játszódik le. Ahhoz, hogy a hordozóanyagot pontosan ki lehessen igazítani, a FAULHABER három kompakt, nagy teljesítményű motorja biztosítja a megfelelő pozíciót.
A csupán 6 milliméteres, ceruzahegynyi magasságú, NanoOne nyomtatási rendszerrel nyomtatott kastély rendkívül finom részletekkel nyűgöz le © UpNano GmbH
A struktúrák, amelyeket az UpNano a 3D nyomtatóval előállít, olyan kicsik, hogy sem szabad szemmel, sem erős optikai mikroszkóppal nem azonosíthatók. A legkisebb nyomtatott szerkezetek csak pásztázó elektronmikroszkóp alatt válnak láthatóvá. Ezek egyfajta „apró gömbök” vagy porszemcsék, amelyek teljes átmérője csupán a milliméter töredéke. A szerkezetet alkotó rudak 100-szor vékonyabbak az emberi hajszálnál. Az ilyen struktúrákat például orvosi kísérletekben használják, többek között élő sejtek vázaként, vagy mikroszűrőként, mikrotűként vagy mikrolencseként.
Kastély a ceruza hegyén
Az UpNano a Bécsi Műszaki Egyetem spin-off projektje. Mielőtt az alapítók több mint öt évvel ezelőtt áttértek a szabadpiacra, a nagy felbontású 3D nyomtatás területén végeztek kutatásokat az egyetemen. Annak demonstrálására, mi minden lehetséges, egy ceruza hegyére nyomtatták egy kastély modelljét – több szinttel, oromzatokkal, párkányokkal, boltívekkel, két toronnyal és elegáns oszlopokkal. Az oszlopok csupán 950 nanométer vastagok voltak. A nyomtató, amelyet az UpNano azóta már piackészre fejlesztett és világszerte forgalmaz, még egy lépéssel tovább megy: vízszintesen 200 nanométernél kisebb, függőlegesen pedig 550 nanométernél kisebb struktúrák valósíthatók meg.
NanoOne nyomtatórendszeren nyomtatott állványszerkezet sejt- és szövetkutatáshoz © UpNano GmbH
Az ilyen miniatürizált objektumok előállítása az úgynevezett 2 fotonos litográfiának köszönhetően lehetséges, amely két fényrészecske közötti kvantumhatáson alapul. Ezáltal váltják ki az anyag megszilárdulását, ami stabil láncok kialakulását eredményezi a műanyag molekulákban. „A döntő fotonpárok célba juttatásához hatalmas mennyiségű fényrészecskét kell kilőnünk” – magyarázza Peter Gruber, az UpNano társalapítója és technológiai igazgatója. „Ennek oka, hogy mind az idő, mind a tér tekintetében óriási fotonsűrűségre van szükségünk ahhoz, hogy a szabályozott polimerizáció létrejöjjön.”
Egy precíz lézernek hála
A fotonokat szolgáltató lézer rendkívül rövid, nagy intenzitású impulzusokkal működik. Ráadásul a módszer nagy pontosságot tesz lehetővé, ahogy azt Peter Gruber kifejti: „Más fényalapú 3D-nyomtatási módszereknél a polimerizáció a teljes fénynyaláb mentén indul be. Ennek eredményeképpen a gyártás csak rétegenként végezhető el. A 2-fotonos litográfiával egy apró pontra tudjuk fókuszálni. Ezt a pontot a nyomtatónk nagy teljesítményű optikája szabadon mozgathatja az anyagon keresztül. Így szinte bármilyen geometriai struktúra előállítsa lehetővé válik.”
A mikrofluidikában használt csatornák és egyéb elemek mellett az ilyen struktúrák alkalmazhatók az egyes üvegszálak végére nyomtatott lencsék létrehozására is. A nyomtatás akár meglévő mikrofluidikai chipekbe is történhet, hogy ott további struktúrákat adjanak hozzá. Egy speciális kiegészítő modul lehetővé teszi az élő sejteket tartalmazó bioanyaggal való nyomtatást is. A háromdimenziós struktúrák polimerizációja csak a tervezett helyeken megy végbe; a köztes terekben lévő sejtek érintetlenül maradnak. A konstrukciók úgy formálhatók, mint a sejtek az emberi szövetekben. Ilyen konstrukcióban ma már állatkísérletek nélküli gyógyszeripari tesztekhez használják őket.
Mikroendoszkópok és mesterséges megtermékenyítés
Az UpNano ügyfelei azonban általában vonakodva válaszolnak arra a kérdésre, hogy pontosan mit állítanak elő az eszközökkel. Sokan szigorú titoktartás mellett használják őket. „Csak néhány konkrét alkalmazásról van tudomásunk, például az in vitro megtermékenyítésben, ahol petesejtekkel dolgoznak, vagy mikroendoszkópok lencséihez is használják” – számol be Peter Gruber. „Ügyfeleink főként az orvostudományban, a gyógyszeriparban és a távközlésben tevékenykednek. Egyre több iparág fedezi fel a miniatürizált 3D nyomtatásban rejlő lehetőségeket a saját céljaira.”
NanoOne nyomtatórendszeren nyomtatott teljesen működőképes, 3D-vel nyomtatott görgőscsapágy © UpNano GmbH
A NanoOne nyomtatóval előállítható tárgyak méretskálája a 150 nanométernél kisebbtől egészen a 40 milliméternél nagyobb méretig terjed. A maximális rugalmasságot négy különböző felbontású lencse biztosítja. Az óránkénti több mint 450 köbmilliméteres áteresztőképesség a nagy termelékenység alapja. A nyomtatási folyamat pontosságát nemcsak a kiváló minőségű lézeroptika, hanem a hordozó pontos igazítása is biztosítja. Ez egy mozgatható tartón van rögzítve.
FAULHABER hajtások a NanoOne készülékekben
Az Automatic Tilt Correction Insert” (automatikus dőléskorrekciós betét) elnevezés leírja ennek a tartónak a funkcióját: Korrigálja a billenést, amelyet szinte lehetetlen elkerülni, amikor a nyomtatási hordozót a nyomtatóba helyezik. A hordozó igazítása három tengelyen (x, y és z) változtatható, és ezáltal optimálisan pozícionálható. „A mikrométer alatti tartományban mérhető laposságot érünk el” – hangsúlyozza Peter Gruber. „Ez biztosítja, hogy a lézeroptika precizitása ténylegesen utat találjon a nyomtatási anyagba.
Továbbá, a releváns komponensek el vannak választva a környező technológiától és a burkolattól. Ennek eredményeképpen a nyomtató bármilyen stabil asztalon állhat.”
A tartó pontos pozicionálásához szükséges mechanikai erőt három, a Faulhaber által gyártott, nemesfém kommutátoros, 1512 … SR IE2-8 sorozatú integrált kódolóval ellátott egyenáramú motor biztosítja. Az egyedülállóan lapos tekercselési technológia három lapos, önhordó réztekercseléssel rendkívül kompakt kialakítást tesz lehetővé, 15 milliméteres átmérővel és mindössze 14,3 milliméteres hosszúsággal. A nagy teljesítményű ritkaföldfém mágneseknek köszönhetően a motor különösen nagy meghajtónyomatékot biztosít.
Az UpNano NanoOne platformja lehetővé teszi a mikrométer alatti és centiméteres közötti méretű, és akár 40 milliméteres magas szerkezeti részletek nyomtatását © UpNano GmbH
A hajtóművön kívül egy optikai kódolót is integráltak a hajtásba. „A fogaskerekes motorokat választottuk, mivel optimális megoldást jelentettek az igényeinknek” – emlékszik vissza Peter Gruber. „A javaslat, hogy kódolóval ellátott változatot válasszunk, a FAULHABER-től érkezett. Az igazítás ezáltal még pontosabban és zökkenőmentesebben megy végbe. A kis méretéhez képest a hajtás hatalmas teljesítményre képes. Nagy pontosságával pedig kulcsfontosságú ponton járul hozzá NanoOne készülékeink nyomtatási folyamatának minőségéhez.”
Előzetes
Az UpNano NanoOne 3D-nyomtató rendszerei 2 fotonos litográfia használatával nagy teljesítményű mikrokomponenseket állítanak elő műanyagból. Annak érdekében, hogy a fényrészecskék a kívánt helyre kerüljenek, a hordozót tökéletesen síkba igazítják – a FAULHABER három kompakt, nagy teljesítményű motorjával.
A vállalat bemutatása – Schönaich meghajtószakértői
A FAULHABER nagy precizitású, miniatürizált meghajtórendszerek, szervokomponensek és hajtásrendszer-elektronikai egységek fejlesztésével, gyártásával és üzembe helyezésével foglalkozik egészen 200 W leadott teljesítményig. Ide tartozik továbbá például az ügyfélspecifikus megoldáscsomagok üzembe helyezése, valamint a számos különböző standard termék gyártása is, pl. kefe nélküli motorok, DC mikromotorok, jeladók és mozgásvezérlők. A FAULHABER nevet világszerte a csúcsminőség és a megbízhatóság védjegyeként ismerik a komplex és komoly kihívásokat támasztó alkalmazási területeken, mint pl. az orvostechnológiában, a gyárautomatizálásban, a precíziós optika területén, a telekommunikációban, a repülő- és űripar, valamint a robotika területén. A nagy teljesítményű, 200 mNm folyamatos nyomatékot biztosító DC motoroktól kezdve a mindössze 1,9 mm külső átmérőjű mikromeghajtókig a FAULHABER számos különböző termékből felépülő standard termékpalettája több mint 25 millió különböző módon kombinálható egy adott alkalmazáshoz szükséges optimális hajtásrendszer kialakítása érdekében. Ugyanakkor a technológiai „építőkészlet” alapegységei módosíthatók, aminek segítségével az ügyfelek speciális igényeinek kielégítése érdekében speciális verziók is kivitelezhetők.
