Drukarka do najmniejszych detali
Miniaturowe komponenty z drukarki 3D.
www.faulhaber.com
Chociaż starożytne greckie „nano” oznacza „karzeł”, w sektorze nano karzeł byłby gigantem. W sferze technicznej „nano” oznacza dziesięć do potęgi minus dziewiątej, czyli jedną miliardową. Można stworzyć nawet mniejsze części – na przykład skomplikowane kształty, które wychodzą z drukarki 3D NanoOne firmy UpNano. Aby je wytworzyć, cząsteczki światła są wystrzeliwane w materiał wyjściowy. Jest to proces, który odbywa się w zakresie tysięcznych części milimetra. Trzy kompaktowe, wysokowydajne silniki FAULHABER zapewniają prawidłową pozycję, aby podłoże było precyzyjnie wyrównane.
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. Struktury te są wykorzystywane na przykład w eksperymentach medycznych jako, między innymi, szkielet dla żywych komórek lub jako mikrofiltry, mikroigły lub mikrosoczewki.
Zamek na czubku ołówka
UpNano jest spółką spin-off Uniwersytetu Technicznego w Wiedniu. Zanim założyciele przeszli na wolną gospodarkę 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 rozwinęła do gotowości rynkowej i sprzedaje na całym świecie, idzie nawet o krok dalej: mogą być realizowane struktury mniejsze niż 200 nanometrów w poziomie i 550 nanometrów w pionie.
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 ogromną liczbę cząstek światła – wyjaśnia Peter Gruber, współzałożyciel i dyrektor techniczny UpNano. – Dzieje się tak dlatego, że potrzebujemy ogromnej gęstości fotonów w odniesieniu zarówno do czasu, jak i przestrzeni, aby doprowadzić do kontrolowanej polimeryzacji.
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, jak wyjaśnia Peter Gruber: – 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.
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.
Mikroendoskopy i sztuczne zapłodnienie
Klienci UpNano są jednak 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 – informuje Peter Gruber. – Nasi klienci działają głównie w branży medycznej, farmaceutycznej i telekomunikacyjnej. Istnieje również coraz więcej branż, które odkrywają możliwości zminiaturyzowanego druku 3D do własnych zastosowań.
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 – podkreśla Peter Gruber. – 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.
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 niezwykle kompaktową konstrukcję o średnicy 15 milimetrów i długości zaledwie 14,3 milimetra. Dzięki wysokowydajnym magnesom z metali ziem rzadkich, silnik zapewnia szczególnie wysoki moment obrotowy.
Oprócz głowicy przekładni, w napędzie zintegrowano również enkoder optyczny. – Wybraliśmy motoreduktory jako optymalne rozwiązanie dla naszych potrzeb – wspomina Peter Gruber. – 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.
Teaser
Wykorzystując litografię 2-fotonową, systemy druku 3D NanoOne firmy UpNano wytwarzają wysokowydajne mikrokomponenty z tworzyw sztucznych. Aby zapewnić, że cząsteczki światła trafią w pożądane miejsce, podłoże jest wyrównane idealnie płasko za pomocą trzech kompaktowych, wysokowydajnych silników firmy FAULHABER.
