Nanodruk 3D: mikroendoskopy, mikroigły, mikrosoczewki i zamek na czubku ołówka

Struktury wytwarzane przez UpNano w drukarce 3D są tak małe, że nie można ich rozpoznać ani gołym okiem, ani za pomocą silnego mikroskopu optycznego. Dopiero pod skaningowym mikroskopem elektronowym najmniejsze wydrukowane struktury stają się widoczne. Są to swego rodzaju „maleńkie kuleczki” lub cząsteczki pyłu o łącznej średnicy zaledwie ułamka milimetra. Pręty tworzące konstrukcję są 100 razy cieńsze niż ludzki włos. Wykorzystywane są na przykład w eksperymentach medycznych jako szkielet dla żywych komórek lub jako mikrofiltry, mikroigły lub mikrosoczewki.

Zamek, mierzący zaledwie 6 milimetrów wysokości, na czubku ołówka, wydrukowany w systemie druku NanoOne | źródło: UpNano GmbH

Zamek na czubku ołówka

UpNano jest spółką spin-off Uniwersytetu Technicznego w Wiedniu. Zanim założyciele założyli własną działalność ponad pięć lat temu, prowadzili badania na uniwersytecie w dziedzinie druku 3D o wysokiej rozdzielczości. Aby pokazać, co jest możliwe, wydrukowali model zamku – z wieloma poziomami, wykuszami, gzymsami, łukami, dwiema iglicami i eleganckimi kolumnami – na czubku ołówka. Kolumny miały zaledwie 950 nanometrów grubości. Drukarka, którą firma UpNano sprzedaje obecnie na całym świecie, może realizować struktury mniejsze niż 200 nanometrów w poziomie i 550 nanometrów w pionie.

Struktura szkieletowa do badań nad komórkami i tkankami, wydrukowana w systemie druku NanoOne | źródło: UpNano

Produkcja takich zminiaturyzowanych elementów jest możliwa dzięki tak zwanej litografii 2-fotonowej, która opiera się na efekcie kwantowym między dwiema cząsteczkami światła. W ten sposób powodują one zestalenie materiału, co skutkuje tworzeniem stabilnych łańcuchów w cząsteczkach plastiku.

– Aby do celu dotarły decydujące pary fotonów, musimy wystrzelić wielką liczbę cząstek światła. Dzieje się tak dlatego, że potrzebujemy ogromnej gęstości fotonów w odniesieniu zarówno do czasu, jak i przestrzeni, aby doprowadzić do kontrolowanej polimeryzacji – wyjaśnia Peter Gruber, współzałożyciel i dyrektor techniczny UpNano.

Dokładny laser sprawia, że to możliwe

Laser, który dostarcza fotony, wykorzystuje niezwykle krótkie impulsy o wysokiej intensywności. Co więcej, metoda ta pozwala na wysoką dokładność.

– W przypadku innych metod druku 3D opartych na świetle, polimeryzacja jest wyzwalana wzdłuż całej ścieżki wiązki. W rezultacie produkcja może być wykonywana tylko warstwami. Dzięki litografii 2-fotonowej możemy skupić je na małym punkcie. Punkt ten może być swobodnie przemieszczany po materiale przez wysokowydajną optykę naszej drukarki. Pozwala nam to tworzyć niemal dowolne struktury geometryczne – twierdzi Peter Gruber.

Oprócz kanałów i innych elementów do mikroprzepływów, takie struktury mogą być również wykorzystywane do tworzenia soczewek, które są drukowane na końcach pojedynczych włókien szklanych. Drukowanie może odbywać się nawet w istniejących chipach mikroprzepływowych, aby dodać tam dodatkowe struktury. Specjalny dodatkowy moduł umożliwia również drukowanie z biomateriału, który zawiera żywe komórki. Polimeryzacja trójwymiarowych struktur zachodzi tylko w zamierzonych miejscach; komórki w przestrzeniach pomiędzy nimi pozostają nienaruszone. Konstrukcje mogą być formowane jak skupiska komórek w ludzkiej tkance. W takim układzie są one obecnie wykorzystywane do testów farmaceutycznych bez eksperymentów na zwierzętach.

Źródło: UpNano

Mikroendoskopy i sztuczne zapłodnienie

Klienci UpNano są na ogół powściągliwi w udzielaniu odpowiedzi na pytanie, co dokładnie produkują za pomocą tych urządzeń. Wielu z nich używa ich w ścisłej tajemnicy.

– Wiemy tylko o kilku konkretnych zastosowaniach, takich jak zapłodnienie in vitro, gdzie praca wykonywana jest z pojedynczymi komórkami jajowymi lub soczewkami w mikroendoskopach. Nasi klienci działają głównie w branży medycznej, farmaceutycznej i telekomunikacyjnej. Istnieje również coraz więcej branż, które odkrywają możliwości zminiaturyzowanego druku 3D do własnych zastosowań – informuje Peter Gruber.

W pełni funkcjonalne, wydrukowane w 3D łożysko wałeczkowe, wydrukowane w systemie druku NanoOne | źródło: UpNano

Skala wielkości elementów, które można wyprodukować za pomocą drukarki NanoOne, wynosi od poniżej 150 nanometrów do ponad 40 milimetrów. Cztery soczewki o różnej rozdzielczości zapewniają maksymalną elastyczność. Przepustowość ponad 450 milimetrów sześciennych na godzinę jest podstawą wysokiej wydajności. Precyzję procesu drukowania zapewnia nie tylko wysokiej jakości optyka laserowa, ale także precyzyjne wyrównanie podłoża. Jest ono zabezpieczone na ruchomym wsporniku.

Napędy FAULHABER w urządzeniach NanoOne

Nazwa „Automatic Tilt Correction Insert” (Wkładka automatycznie korygująca przechylenie) opisuje funkcję tego wspornika: koryguje on przechylenie, które jest prawie niemożliwe do uniknięcia podczas wkładania podłoża drukowanego do drukarki. Wyrównanie podłoża można zmienić w trzech osiach (x, y i z), a tym samym optymalnie ustawić.

– Osiągamy płaskość w zakresie submikrometrowym. Gwarantuje to, że precyzyjna optyka laserowa faktycznie trafia do drukowanego materiału. Co więcej, odpowiednie komponenty są oddzielone od otaczającej technologii i obudowy. W rezultacie drukarka może po prostu stać na dowolnym stabilnym stole – podkreśla Peter Gruber.

Siła mechaniczna do precyzyjnego pozycjonowania wspornika jest zapewniona przez trzy komutowane silniki DC z przekładnią z metali szlachetnych ze zintegrowanym enkoderem serii 1512 … SR IE2-8 firmy Faulhaber. Technologia uzwojenia trzech wyjątkowo płaskich, samonośnych uzwojeń miedzianych zapewnia kompaktową konstrukcję o średnicy 15 mm i długości zaledwie 14,3 mm. Dzięki magnesom z metali ziem rzadkich, silnik zapewnia szczególnie wysoki moment obrotowy.

Platforma NanoOne firmy UpNano umożliwia drukowanie detali strukturalnych o rozmiarach od submikrometrowych do centymetrowych i wysokości do 40 milimetrów | źródło: UpNano

Oprócz głowicy przekładni, w napędzie zintegrowano również enkoder optyczny.

– Wybraliśmy motoreduktory jako optymalne rozwiązanie dla naszych potrzeb. Sugestia wyboru wersji z enkoderem wyszła od FAULHABER. Dzięki temu osiowanie działa jeszcze bardziej precyzyjnie i płynnie. W stosunku do swoich niewielkich wymiarów, napęd zapewnia ogromną moc. Dzięki wysokiej precyzji przyczynia się do poprawy jakości procesu drukowania naszych wyrobów NanoOne w kluczowym punkcie – wspomina Peter Gruber.

Wykorzystując litografię 2-fotonową, systemy druku 3D NanoOne firmy UpNano wytwarzają wysokowydajne mikrokomponenty z tworzyw sztucznych.

FAULHABER specjalizuje się w rozwoju, produkcji i wdrażaniu wysoce precyzyjnych systemów napędów miniaturowych, serwokomponentów i elektroniki napędowej o mocy wyjściowej do 200 W. Firma zajmuje się produkcją rozwiązań konstruowanych pod specjalne wymagania klienta oraz oferuje szeroki wybór produktów standardowych, takich jak silniki bezszczotkowe, miniaturowe silniki DC, enkodery czy sterowniki ruchu.