Miniaturbauteile aus dem 3D-Drucker mit DC-Antriebsmotoren von Faulhaber bestens gedruckt

Die mechanische Kraft für die präzise Positionierung der Halterung liefern drei edelmetallkommutierte DC-Getriebemotoren mit integriertem Encoder der Serie 1512 ... SR IE2-8 von Faulhaber.

Die Strukturen, die UpNano im 3D-Drucker herstellt, sind so klein, dass sie weder mit dem bloßen Auge noch mit einem starken Lichtmikroskop erkennbar sind. Erst in einem Rasterelektronenmikroskop werden die kleinsten gedruckten Strukturen sichtbar. Es handelt sich um eine Art Staubkörnchen, die im Gesamtdurchmesser gerade mal Bruchteile eines Millimeters betragen. Die Stege, aus denen das Konstrukt besteht, sind 100-mal dünner als ein menschliches Haar. Eingesetzt werden diese Strukturen beispielsweise bei medizinischen Versuchen, unter anderem als Gerüst für lebende Zellen oder als Mikrofilter, Mikronadeln oder Mikrolinsen.

Vollfunktionsfähiges 3D-gedrucktes Rollenlager, gedruckt auf einem NanoOne-Drucksystem.

Peter Gruber
Mitgründer und CTO von UpNano

„Wir benötigen zeitlich und räumlich eine enorme Photonendichte für das Herbeiführen der gesteuerten Polymerisation. Die Faulhaber-Getriebemotoren haben wir für uns als die optimale Lösung ausgewählt.“

Burg auf Bleistiftspitze

UpNano ist ein Spin-off der Technischen Universität Wien. Bevor die Gründer vor gut fünf Jahren in die freie Wirtschaft wechselten, hatten sie an der Uni an 3D-Druck mit hoher Auflösung geforscht. Um zu zeigen, was möglich ist, haben sie damals das Modell einer Burg – komplett mit mehreren Stockwerken, Erkern, Simsen, Torbögen, zwei Türmen und eleganten Säulen – auf die Spitze eines Bleistifts gedruckt. Die Säulen waren lediglich 950 Nanometer dick. Der Drucker, den UpNano inzwischen zur Serienreife entwickelt hat und weltweit vertreibt, geht noch einen Schritt weiter: Horizontal sind Strukturen kleiner als 200, vertikal kleiner als 550 Nanometer realisierbar.

Die Herstellung derart miniaturisierter Objekte gelingt dank der sogenannten Zwei-Photonen-Lithografie, die auf einem Quanteneffekt zwischen zwei Lichtteilchen beruht. Sie lösen damit die Verfestigung des Materials aus, bei der sich die Kunststoffmoleküle zu stabilen Ketten verbinden. „Um die entscheidenden Photonenpaare ins Ziel zu bringen, müssen wir eine gigantische Anzahl von Lichtteilchen abfeuern“, erklärt Peter Gruber, Mitgründer und CTO von UpNano. „Denn wir benötigen zeitlich und räumlich eine enorme Photonendichte für das Herbeiführen der gesteuerten Polymerisation.“

Die NanoOne-Plattform von UpNano ermöglicht den Druck von Submikrometer- bis Zentimeter-Strukturdetails mit einer Höhe von bis zu 40 Millimeter.

Infos zum Anwender

UpNano ist ein Systemanbieter für hochauflösenden 3D-Druck. Neben der Entwicklung, Produktion und Herstellung von Drucksystemen und der dazugehörigen Betriebssoftware bietet UpNano für den Prozess optimierte Druckmaterialien und Zubehör an.

Zielgenauer Laser macht’s möglich

Der Laser, der die Photonen liefert, arbeitet mit extrem kurzen Pulsen mit hoher Intensität. Außerdem erlaubt die Methode hohe Zielgenauigkeit, wie Gruber erklärt: „Bei anderen lichtbasierten 3D-Druckverfahren wird die Polymerisation entlang des gesamte Strahlwegs ausgelöst, man kann also nur schichtweise produzieren. Mit der Zwei-Photonen-Lithografie können wir sie auf einen winzigen Punkt fokussieren. Dieser Punkt wird von der Hochleistungsoptik unseres Druckers beliebig durch das Material bewegt. So können wir praktisch jede geometrische Struktur produzieren.“ Aus solchen Strukturen entstehen neben Kanälen und anderen Elementen für die Mikrofluidik auch Linsen, die auf dem Ende einzelner Glasfasern aufgedruckt sind. Der Druck kann selbst in bestehenden Mikrofluidik-Chips stattfinden, um dort zusätzliche Strukturen hinzuzufügen. Ein spezielles Zusatzmodul erlaubt zudem das Drucken mit Biomaterial, das lebende Zellen enthält. Die Polymerisation der dreidimensionalen Strukturen läuft nur an den vorgesehenen Stellen ab, die Zellen in den Zwischenräumen bleiben intakt. Die Konstrukte können wie ein Zellverbund in menschlichem Gewebe geformt werden. In solcher Anordnung werden sie heute für Arzneimitteltests ohne Tierversuch eingesetzt.

Mikro-Endoskope und künstliche Befruchtung

Die Kunden von UpNano halten sich bei der Frage, was genau sie mit den Geräten herstellen, in der Regel allerdings sehr bedeckt. Viele verwenden sie unter strenger Geheimhaltung. „Wir wissen nur von einigen konkreten Anwendungen, zum Beispiel in der In-vitro-Fertilisation, wo mit einzelnen Eizellen gearbeitet wird, oder von Linsen für die Mikro-Endoskope“, berichtet Peter Gruber. „Unsere Abnehmer finden wir hauptsächlich in der Medizintechnik, der Pharmaindustrie und der Telekommunikation. Zugleich gibt es immer mehr weitere Branchen, die die Möglichkeiten des miniaturisierten 3D-Drucks für sich entdecken.“

Die Größenskala der Objekte, die mit einem NanoOne-Drucker hergestellt werden können, reicht von unter 150 Nanometer bis zu 40 Millimeter. Für größtmögliche Flexibilität sorgen vier Objektive mit unterschiedlicher Auflösung, ein Durchsatz von mehr als 450 Kubikmillimeter pro Stunde ist Grundlage für große Produktivität. Für die Präzision des Druckvorgangs sorgt neben der hochwertigen Laseroptik die exakte Ausrichtung des Substrats. Dieses wird auf einer beweglichen Halterung befestigt.

Smarte Antriebe in den NanoOne-Geräten

Der Name „Automatic Tilt Correction Insert“ beschreibt die Funktion dieser Halterung: Sie korrigiert das Verkippen, das sich beim Einlegen des Drucksubstrats in den Drucker kaum vermeiden lässt. Die Ausrichtung des Substrats lässt sich auf drei Achsen (x, y und z) verändern und so in eine optimale Position bringen. „Wir erreichen eine Ebenheit im Sub-Mikrometerbereich“, so Gruber. „Damit ist gewährleistet, dass die Präzision der Laseroptik tatsächlich im Druckmaterial ankommt. Die relevanten Komponenten sind außerdem von der umgebenden Technik und dem Gehäuse entkoppelt. Der Drucker kann also einfach auf einem beliebigen stabilen Tisch stehen.“ Die mechanische Kraft für die präzise Positionierung der Halterung liefern drei edelmetallkommutierte DC-Getriebemotoren mit integriertem Encoder der Serie 1512 ... SR IE2-8 von Faulhaber. Die einzigartig flache Spulentechnologie mit drei flachen freitragenden Kupferwicklungen ermöglicht eine äußerst kompakte Bauform mit 15 Millimeter Durchmesser und einer Länge von nur 14,3 Millimeter. Dank der Hochleistungs-Seltenerdmagneten liefert der Motor ein besonders hohes Antriebsmoment.

Neben dem Getriebe ist im Antrieb auch ein optischer Encoder integriert. „Die Getriebemotoren haben wir für uns als die optimale Lösung ausgewählt“, betont Gruber. „Der Vorschlag, die Version mit Encoder zu wählen, kam von Faulhaber. Damit funktioniert die Ausrichtung noch genauer und reibungsloser. Im Verhältnis zu seinen kleinen Abmessungen liefert der Antrieb eine enorme Leistung. Mit seiner hohen Präzision trägt er an einer entscheidenden Stelle zur Qualität des Druckprozesses unserer NanoOne-Geräte bei.“