Op nanoschaal 3D-printen met mini-motorreductoren

Een kasteel 3D-printen op de punt van een potlood? Dat kan met de NanoOne 3D-printer van UpNano. Daar kan je niet in wonen, maar laat wel zien wat de mogelijkheden zijn. De printnauwkeurigheid die je daarvoor nodig hebt, dankt de printer deels aan drie motorreductoren van Faulhaber.

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 dus dat kasteel – met verschillende verdiepingen, erkers, richels, bogen, twee torens en zuilen.

2-fotonen lithografie

De printer maakt gebruik van 2-fotonen lithografie, 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. 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.”

Automatic Tilt Correction Insert

De NanoOne-printer kan objecten maken kleiner dan 150 nm tot meer dan 40 mm. Vier lenzen met verschillende resoluties garanderen maximale flexibiliteit. De productiesnelheid bedraagt meer dan 450 mm3/u. 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.

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 en een vlakheid van minder dan een micron. “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.”

Drie motorreductoren

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 de vlakke wikkeltechnologie met drie platte, zelfdragende koperwikkelingen, zijn de motorreductoren met zeldzame-aardemagneten maar 15 mm in diameter en 14,3 mm lang.

Behalve de tandwielkast is ook de encoder geïntegreerd in de aandrijving. “We hebben motorreductoren gekozen als optimale oplossing voor onze behoeften. 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.”

Geheim

Waar worden nu die minuscule componenten die je met de NanoOne kan maken voor gebruikt? Denk bijvoorbeeld aan het printen van lenzen op de uiteinden van individuele glasvezels. Ook printen in bestaande microfluïdische chips is mogelijk. Met een speciale module kan ook bovendien worden geprint met biomateriaal, dat levende cellen bevat. Dit  wordt nu al toegepast voor om geneesmiddelen te testen zonder dierproeven.

De kopers van UpNano houden over het algemeen geheim waar ze de 3D-printers voor gebruiken. “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.”