www.engineering-norge.com
18
'26
Written on Modified on
Nanopresisjon i 3D-print med presis motorstyring
NanoOne fra UpNano muliggjør submikrometerstrukturer ved hjelp av 2-foton-litografi og presis posisjonering med kompakte FAULHABER-drivsystemer.
www.faulhaber.com
Selv om det gamle greske «nano» betyr «dverg», ville en dverg i nanosektoren vært en gigant. I teknisk sammenheng betyr «nano» ti opphøyd i minus ni, altså en milliarddel. I tillegg er det mulig å produsere deler som er enda mindre enn dette – for eksempel de intrikate formene som kommer ut av NanoOne 3D-printeren fra UpNano. For å produsere disse skytes lyspartikler mot utgangsmaterialet. Dette er en prosess som foregår innenfor et område på tusendeler av en millimeter. For at substratet skal kunne justeres presist, sørger tre kompakte høyytelsesmotorer fra FAULHABER for korrekt posisjonering.
Strukturene som UpNano produserer i 3D-printeren, er så små at de verken kan sees med det blotte øye eller med et kraftig optisk mikroskop. Først under et skanningselektronmikroskop blir de minste strukturene synlige. De fremstår som en liten kule eller støvpartikkel med en total diameter på bare en brøkdel av en millimeter. Stavene som utgjør konstruksjonen, er 100 ganger tynnere enn et menneskehår. Disse strukturene brukes for eksempel i medisinske forsøk, blant annet som stillas for levende celler eller som mikrofiltre, mikronåler eller mikrolinser.
Slottet, som måler kun 6 millimeter i høyde på spissen av en blyant og er printet på et NanoOne-printsystem, imponerer med ekstremt fine detaljer © UpNano GmbH
Et slott på spissen av en blyant
UpNano er en spin-off fra Technische Universität Wien. Før grunnleggerne for mer enn fem år siden gikk over til kommersiell virksomhet, drev de forskning ved universitetet innen høyoppløselig 3D-print. For å demonstrere hva som er mulig, printet de en modell av et slott med flere nivåer, karnapper, avsatser, bueganger, to spir og elegante søyler – på spissen av en blyant. Søylene var bare 950 nanometer tykke. Printeren, som UpNano siden har utviklet til markedsmodenhet og selger over hele verden, går enda et steg videre: Strukturer mindre enn 200 nanometer kan realiseres horisontalt og mindre enn 550 nanometer vertikalt.
Et slott på spissen av en blyant
UpNano er en spin-off fra Technische Universität Wien. Før grunnleggerne for mer enn fem år siden gikk over til kommersiell virksomhet, drev de forskning ved universitetet innen høyoppløselig 3D-print. For å demonstrere hva som er mulig, printet de en modell av et slott med flere nivåer, karnapper, avsatser, bueganger, to spir og elegante søyler – på spissen av en blyant. Søylene var bare 950 nanometer tykke. Printeren, som UpNano siden har utviklet til markedsmodenhet og selger over hele verden, går enda et steg videre: Strukturer mindre enn 200 nanometer kan realiseres horisontalt og mindre enn 550 nanometer vertikalt.
Stillasstruktur for celle- og vevsforskning, printet på et NanoOne-printsystem © UpNano GmbH
Produksjonen av slike miniaturiserte objekter er mulig takket være såkalt 2-foton-litografi, som er basert på en kvanteeffekt mellom to lyspartikler. De utløser herdingen av materialet, noe som resulterer i dannelsen av stabile kjeder i plastmolekylene. “For å få de avgjørende fotonparene over målstreken må vi skyte ut et enormt antall lyspartikler,” forklarer Peter Gruber, medgründer og CTO i UpNano. “Dette skyldes at vi trenger en enorm fotontetthet både i tid og rom for å oppnå kontrollert polymerisering.”
En nøyaktig laser gjør det mulig
Laseren som leverer fotonene, arbeider med ekstremt korte, høyintense pulser. Metoden gir dessuten høy presisjon, som Peter Gruber forklarer: “Med andre lysbaserte 3D-printmetoder utløses polymerisering langs hele strålebanen. Som et resultat kan produksjonen bare utføres i lag. Med 2-foton-litografi kan vi fokusere energien på et mikroskopisk punkt. Dette punktet kan flyttes fritt gjennom materialet ved hjelp av printerens høyytelsesoptikk. Dette gjør det mulig å produsere nesten enhver geometrisk struktur.”
I tillegg til kanaler og andre elementer for mikrofluidikk kan slike strukturer også brukes til å lage linser som printes på enden av individuelle glassfibre. Det kan også printes i eksisterende mikrofluidiske brikker for å legge til ytterligere strukturer. En spesiell tilleggsmodul muliggjør print med biomateriale som inneholder levende celler. Polymerisering av de tredimensjonale strukturene skjer bare på de tiltenkte stedene; cellene i mellomrommene forblir intakte. Konstruksjonene kan dannes som en celleklynge i menneskelig vev. I en slik oppbygning brukes de i dag til farmasøytiske tester uten dyreforsøk.
Mikroendoskoper og kunstig befruktning
Kundene til UpNano er generelt tilbakeholdne med å svare på hva de nøyaktig produserer med enhetene. Mange bruker dem under streng konfidensialitet. “Vi kjenner bare til noen få konkrete anvendelser, for eksempel innen in vitro-fertilisering, der det arbeides med individuelle eggceller eller til linser i mikroendoskoper,” sier Peter Gruber. “Våre kunder er hovedsakelig innen medisinsk teknologi, legemiddelindustrien og telekommunikasjon. Stadig flere bransjer oppdager også mulighetene med miniaturisert 3D-print til egne formål.”
Produksjonen av slike miniaturiserte objekter er mulig takket være såkalt 2-foton-litografi, som er basert på en kvanteeffekt mellom to lyspartikler. De utløser herdingen av materialet, noe som resulterer i dannelsen av stabile kjeder i plastmolekylene. “For å få de avgjørende fotonparene over målstreken må vi skyte ut et enormt antall lyspartikler,” forklarer Peter Gruber, medgründer og CTO i UpNano. “Dette skyldes at vi trenger en enorm fotontetthet både i tid og rom for å oppnå kontrollert polymerisering.”
En nøyaktig laser gjør det mulig
Laseren som leverer fotonene, arbeider med ekstremt korte, høyintense pulser. Metoden gir dessuten høy presisjon, som Peter Gruber forklarer: “Med andre lysbaserte 3D-printmetoder utløses polymerisering langs hele strålebanen. Som et resultat kan produksjonen bare utføres i lag. Med 2-foton-litografi kan vi fokusere energien på et mikroskopisk punkt. Dette punktet kan flyttes fritt gjennom materialet ved hjelp av printerens høyytelsesoptikk. Dette gjør det mulig å produsere nesten enhver geometrisk struktur.”
I tillegg til kanaler og andre elementer for mikrofluidikk kan slike strukturer også brukes til å lage linser som printes på enden av individuelle glassfibre. Det kan også printes i eksisterende mikrofluidiske brikker for å legge til ytterligere strukturer. En spesiell tilleggsmodul muliggjør print med biomateriale som inneholder levende celler. Polymerisering av de tredimensjonale strukturene skjer bare på de tiltenkte stedene; cellene i mellomrommene forblir intakte. Konstruksjonene kan dannes som en celleklynge i menneskelig vev. I en slik oppbygning brukes de i dag til farmasøytiske tester uten dyreforsøk.
Mikroendoskoper og kunstig befruktning
Kundene til UpNano er generelt tilbakeholdne med å svare på hva de nøyaktig produserer med enhetene. Mange bruker dem under streng konfidensialitet. “Vi kjenner bare til noen få konkrete anvendelser, for eksempel innen in vitro-fertilisering, der det arbeides med individuelle eggceller eller til linser i mikroendoskoper,” sier Peter Gruber. “Våre kunder er hovedsakelig innen medisinsk teknologi, legemiddelindustrien og telekommunikasjon. Stadig flere bransjer oppdager også mulighetene med miniaturisert 3D-print til egne formål.”
Fullt funksjonelt 3D-printet rullelager produsert på et NanoOne-printsystem © UpNano GmbH
Størrelsesskalaen for objektene som kan produseres med en NanoOne-printer, spenner fra mindre enn 150 nanometer til mer enn 40 millimeter. Fire linser med forskjellig oppløsning sikrer maksimal fleksibilitet. En kapasitet på mer enn 450 kubikkmillimeter per time danner grunnlaget for høy produktivitet. Presisjonen i printprosessen sikres ikke bare av laseroptikk av høy kvalitet, men også av den presise justeringen av substratet. Dette er festet på et bevegelig støtteelement.
FAULHABER-drivsystemer i NanoOne-enhetene
Navnet «Automatic Tilt Correction Insert» beskriver funksjonen til dette støtteelementet: Det korrigerer helningen som nesten er umulig å unngå når printsubstratet settes inn i printeren. Substratet kan justeres langs tre akser (x, y og z) og dermed posisjoneres optimalt. “Vi oppnår en planhet i submikrometerområdet,” understreker Peter Gruber. “Dette sikrer at presisjonen i laseroptikken faktisk overføres til printmaterialet. Videre er de relevante komponentene frikoblet fra den omkringliggende teknologien og kabinettet. Som et resultat kan printeren stå på et hvilket som helst stabilt bord.”
Den mekaniske kraften for presis posisjonering av støtteelementet leveres av tre edelmetallkommuterte DC-girmotorer med integrert enkoder i serien 1512 … SR IE2-8 fra FAULHABER. Den unike flate viklingsteknologien med tre flate, selvbærende kobberviklinger muliggjør en ekstremt kompakt konstruksjon med en diameter på 15 millimeter og en lengde på 14,3 millimeter. Takket være høyytelses sjeldne jordmagneter leverer motoren et spesielt høyt dreiemoment.
Størrelsesskalaen for objektene som kan produseres med en NanoOne-printer, spenner fra mindre enn 150 nanometer til mer enn 40 millimeter. Fire linser med forskjellig oppløsning sikrer maksimal fleksibilitet. En kapasitet på mer enn 450 kubikkmillimeter per time danner grunnlaget for høy produktivitet. Presisjonen i printprosessen sikres ikke bare av laseroptikk av høy kvalitet, men også av den presise justeringen av substratet. Dette er festet på et bevegelig støtteelement.
FAULHABER-drivsystemer i NanoOne-enhetene
Navnet «Automatic Tilt Correction Insert» beskriver funksjonen til dette støtteelementet: Det korrigerer helningen som nesten er umulig å unngå når printsubstratet settes inn i printeren. Substratet kan justeres langs tre akser (x, y og z) og dermed posisjoneres optimalt. “Vi oppnår en planhet i submikrometerområdet,” understreker Peter Gruber. “Dette sikrer at presisjonen i laseroptikken faktisk overføres til printmaterialet. Videre er de relevante komponentene frikoblet fra den omkringliggende teknologien og kabinettet. Som et resultat kan printeren stå på et hvilket som helst stabilt bord.”
Den mekaniske kraften for presis posisjonering av støtteelementet leveres av tre edelmetallkommuterte DC-girmotorer med integrert enkoder i serien 1512 … SR IE2-8 fra FAULHABER. Den unike flate viklingsteknologien med tre flate, selvbærende kobberviklinger muliggjør en ekstremt kompakt konstruksjon med en diameter på 15 millimeter og en lengde på 14,3 millimeter. Takket være høyytelses sjeldne jordmagneter leverer motoren et spesielt høyt dreiemoment.
NanoOne-plattformen fra UpNano muliggjør print av strukturelle detaljer fra submikrometer- til centimeterstørrelse med en høyde på opptil 40 millimeter © UpNano GmbH
I tillegg til girhodet er det også integrert en optisk enkoder i drivsystemet. “Vi valgte girmotorene som den optimale løsningen for våre behov,” sier Peter Gruber. “Forslaget om å velge versjonen med enkoder kom fra FAULHABER. Justeringen fungerer dermed enda mer presist og jevnt. Til tross for de kompakte dimensjonene leverer drivsystemet betydelig effekt. Med sin høye presisjon bidrar det på et nøkkelpunkt til kvaliteten i printprosessen i våre NanoOne-enheter.”
www.faulhaber.com
I tillegg til girhodet er det også integrert en optisk enkoder i drivsystemet. “Vi valgte girmotorene som den optimale løsningen for våre behov,” sier Peter Gruber. “Forslaget om å velge versjonen med enkoder kom fra FAULHABER. Justeringen fungerer dermed enda mer presist og jevnt. Til tross for de kompakte dimensjonene leverer drivsystemet betydelig effekt. Med sin høye presisjon bidrar det på et nøkkelpunkt til kvaliteten i printprosessen i våre NanoOne-enheter.”
www.faulhaber.com
