DC-Kleinstantriebe im Nano-3D-Druck: Das Schloss auf der Bleistiftspitze

Bei den filigranen Strukturen, die sich mit dem Nano-3D-Drucker von UpNano, einem Spin-off der technischen Universität Wien realisieren lassen, sorgen edelmetallkommutierte DC-Kleinstmotoren von FAULHABER für die präzise Ausrichtung der Substrate. Der Text beschreibt die Anwendung.

Die Strukturen, die der Nano-3D-Drucker von UpNano, einem Spin-off der technischen Universität Wien herstellen kann, sind so klein, dass sie weder mit dem bloßen Auge noch mit einem starken Lichtmikroskop erkennbar sind. Erst in einem Rasterelektronenmikroskop werden die gedruckten Strukturen sichtbar, deren Stege 100-mal dünner sein können als ein menschliches Haar. Gebraucht werden sie beispielsweise bei medizinischen Versuchen, unter anderem als Gerüst für lebende Zellen, als Mikrofilter, Mikronadeln oder Mikrolinsen. Bereits vor dem Start des Unternehmens hatten die Firmengründer an der Uni Wien 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 (Bild 1). Die Säulen waren gerade mal 950 Nanometer dick. Der Drucker, den UpNano inzwischen zur Serienreife entwickelt hat und weltweit vertreibt (Bild 2), geht noch einen Schritt weiter: horizontal sind Strukturen kleiner als 200 Nanometer, vertikal kleiner als 550 Nanometer realisierbar.

2-Photonen-Lithografie für feinste Strukturen

Die Herstellung derart miniaturisierter Objekte gelingt dank der sogenannten 2-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. Peter Gruber, Mitgründer und CTO von UpNano erklärt: „Um die entscheidenden Photonenpaare ins Ziel zu bringen, müssen wir eine gigantische Anzahl von Lichtteilchen abfeuern, denn wir benötigen zeitlich und räumlich eine enorme Photonendichte für das Herbeiführen der gesteuerten Polymerisation.“

Der Laser, der die Photonen liefert, arbeitet mit extrem kurzen Pulsen hoher Intensität. Außerdem erlaubt die Methode große Zielgenauigkeit. „Bei anderen lichtbasierten 3D-Druckverfahren wird die Polymerisation entlang des gesamte Strahlwegs ausgelöst, man kann also nur schichtweise produzieren. Mit der 2-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“, ergänzt Peter Gruber.

Elemente für Mikrofluidik, Linsen oder Biomaterialien

Aus solchen Strukturen entstehen neben Kanälen und anderen Elementen für die Mikrofluidik auch Linsen, die auf dem Ende einzelner Glasfasern aufgedruckt werden. Der Druck kann sogar in bestehenden Mikrofluidik-Chips stattfinden, um dort zusätzliche Strukturen hinzuzufügen. Ein spezielles Zusatzmodul erlaubt zudem das Drucken mit Biomaterial, das lebende Zellen enthält. Weil die Polymerisation der dreidimensionalen Strukturen dabei nur an den vorgesehenen Stellen abläuft, bleiben die Zellen in den Zwischenräumen intakt. Die Konstrukte können wie ein Zellverbund in menschlichem Gewebe geformt werden. In solcher Anordnung werden sie heute für Arzneimitteltests ohne Tierversuch eingesetzt.

Die Kunden von UpNano halten sich allerdings bei der Frage, was genau sie mit den Geräten herstellen, in der Regel 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 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.“

Exakte Ausrichtung des Substrats

Die Größenskala der Objekte, die mit einem NanoOne Drucker hergestellt werden können, reicht von unter 150 Nanometer bis zu 40 Millimeter (Bild 3). Für größtmögliche Flexibilität sorgen vier Objektive mit unterschiedlicher Auflösung. Ein Durchsatz von mehr als 450 Kubikmillimeter pro Stunde ist Grundlage für eine große Produktivität. Für die Präzision des Druckvorgangs sorgt neben der hochwertigen Laseroptik die exakte Ausrichtung des Substrats. Dieses wird auf einer beweglichen Halterung befestigt. 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 damit eine Ebenheit im Sub-Mikrometerbereich“, betont Peter 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.“

DC-Getriebemotoren mit integriertem Encoder

Für die präzise Positionierung der Halterung sorgen drei edelmetallkommutierte DC-Getriebemotoren mit integriertem Encoder der Serie 1512 (Bild 4). Die Motoren eignen sich für schnelle Start-und-Stopp-Anwendungen, arbeiten rastmomentfrei, haben einen sehr geringen Stromverbrauch und sind obendrein ausgesprochen leicht. Ihre 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-Seltenerdmagnete liefert der Motor ein hohes Antriebsmoment von 30 mNm im Dauerbetrieb. Kurzzeitig sind bis 50 mNm möglich.

Neben dem Getriebe ist im Antrieb auch ein optischer Encoder integriert. „Die Getriebemotoren haben wir für uns als die optimale Lösung ausgewählt“, erinnert sich Peter Gruber. „Der Vorschlag, die Version mit Encoder einzusetzen, kam von FAULHABER. Damit funktioniert die Ausrichtung noch genauer und reibungsloser. Mit seiner hohen Präzision trägt der Antrieb damit entscheidend zur Qualität des Druckprozesses unserer Geräte bei.“