Tulostin pienimpiä yksityiskohtia varten
Miniatyyrikomponentteja 3D-tulostimella.
www.faulhaber.com
Vaikka muinaisessa kreikan kielessä ”nano” tarkoittaa ”kääpiötä”, nano-teknologiassa kääpiö on jättiläinen. Teknisessä mielessä ”nano” tarkoittaa kymmentä potenssissa miinus yhdeksän eli miljardisosaa. Additiiviset menetelmät mahdollistavat tätäkin pienemmät osat, esimerkkinä tästä UpNano-yrityksen NanoOne 3D-tulostimen tulostamat monimutkaiset kappaleet. Näiden valmistuksessa aloitusmateriaalia pommitetaan valohiukkasilla. Tämän prosessin mittakaava on millimetrin tuhannesosia. Substraatti asemoidaan tarkasti kohdalleen kolmella kompaktilla huipputehokkaalla FAULHABER-moottorilla, jotka takaavat, että substraatti on oikeassa kohdassa.
UpNanon 3D-tulostimella tulostetut rakenteet ovat niin pieniä, ettei niitä voi nähdä paljaalla silmällä eikä edes voimakkaalla optisella mikroskoopilla. Pienimmät tulostetut rakenteet tulevat näkyviin vasta pyyhkäisyelektronimikroskoopilla. Ne ovat ikään kuin ”pikkuruisia palloja” tai pölyhiukkasia, joiden kokonaishalkaisija on vain millimetrin murto-osia. Rakenteessa olevat palkit ovat 100 kertaa ohuempia kuin ihmisen hiukset. Näitä rakenteita käytetään esimerkiksi lääketieteellisissä kokeissa muun muassa elävien solujen ympäristönä tai mikrosuodattimina, mikroneuloina tai mikrolinsseinä.
Linna lyijykynän kärjessä
UpNano on Viennan Teknisen Yliopiston spin-off-yritys. Ennen kuin yrityksen perustajat siirtyivät kaupalliseen toimintaan yli viisi vuotta sitten, he tekivät tutkimusta yliopistossa aiheena 3D-tulostus korkealla resoluutiolla. Esitelläkseen mikä oli mahdollista, he tulostivat lyijykynän kärkeen mallin linnasta, jossa on useita kerroksia, parvekkeita, listoja, kaaria, kaksi tornia ja elegantteja pylväitä. Pylväiden paksuus oli ainoastaan 950 nanometriä. UpNanon tämän jälkeen myyntivalmiiksi maailmanlaajuista myyntiä varten kehittämä tulostin menee vielä pidemmälle: se pystyy tulostamaan horisontaalisesti alle 200 nanometrin ja vertikaalisesti alle 550 nanometrin rakenteita.
Näin pienikokoisten objektien valmistaminen on mahdollista niin kutsutun 2 fotonin litografian ansiosta. Tämä menetelmä perustuu kahden valohiukkasen väliseen kvantti-ilmiöön. Tällä tavoin ne käynnistävät materiaalin jähmettymisen ja tämän seurauksena syntyy pysyviä muovimolekyylien ketjuja. ”Saadaksemme ratkaisevan määrän fotonipareja loppuviivan ylitse, meidän on ammuttava massiivinen määrä valohiukkasia," selittää Peter Gruber, UpNanon perustajajäsen ja tekninen johtaja. ”Tämä johtuu siitä, että tarvitsemme valtavan fotonitiheyden sekä ajan että tilan suhteen voidaksemme ohjata polymeroitumista.”
Tarkka laseri tekee tämän mahdolliseksi
Fotoneja tuottava laseri toimii erittäin lyhyillä korkeatehoisilla pulsseilla. Menetelmä mahdollistaa lisäksi korkean tarkkuuden, kuten Peter Gruber selittää: ”Muilla valoon perustuvilla 3D-tulostusmenetelmillä polymeroituminen käynnistyy koko valosäteen pituudelta. Tämän seurauksena tuotanto voidaan suorittaa ainoastaan kerroksittain. 2 fotonin litografiassa voimme kohdistaa sen yhteen pikkuruiseen pisteeseen. Tulostimemme huipputehokas optiikka pystyy liikuttamaan tätä pistettä materiaalissa vapaasti. Tämän ansiosta pystymme tuottamaan miltei minkä tahansa geometrisen rakenteen.”
Mikronesteille tarkoitettujen kanavien ja muiden elementtien lisäksi tällaisia rakenteita voidaan käyttää luomaan linssejä, jotka tulostetaan yksittäisten valokuitujen päihin. Tulostus on mahdollista jopa mikronestetekniikkaa käyttäviin siruihin, jolloin niihin voidaan lisätä lisärakenteita. Erityinen lisämoduuli mahdollistaa tulostamisen jopa biomateriaaliin, elävät solut mukaan lukien. Kolmiulotteisten rakenteiden polymeroituminen tapahtuu ainoastaan tarkoitetuissa pisteissä; niiden väliin jäävässä tilassa olevat solut pysyvät ennallaan. Ihmiskudoksen soluklustereita muistuttavien rakenteiden luominen tulee mahdolliseksi. Tällaisia ratkaisuja käytetään tällä hetkellä lääketieteellisissä testeissä eläinkokeiden välttämiseksi.
Mikroendoskopia ja keinosiemennys
UpNanon asiakkaat ovat yleensä kuitenkin vähäpuheisia vastaamaan kysymykseen mitä he tarkkaan ottaen tekevät laitteillaan. Monet käyttävät niitä tarkasti salatulla tavalla. ”Tiedämme ainoastaan muutamia konkreettisia sovelluksia, kuten in vitro -hedelmöitys, jossa työskennellään yksittäisten munasolujen kanssa, sekä mikroendoskopiassa käytettävät linssit”, toteaa Peter Gruber. ”Useimpien asiakkaidemme toimialana on lääketiede, lääketeollisuus tai tietoliikenne. Lisäksi yhä useammat teollisuudenalat tutkivat sitä, mitä mahdollisuuksia pienikokoinen 3D-tulostus voisi tuoda niiden käyttötapauksiin."
NanoOne-tulostimella tulostettavien objektien koko vaihtelee alle 150 nanometristä yli 40 millimetriin. Neljä linssiä erilaisilla resoluutioilla takaavat maksimaalisen joustavuuden. Yli 450 kuutiomillimetrin tulostus tunnissa mahdollistaa korkean tuottavuuden. Tulostusprosessin tarkkuuteen tarvitaan korkealaatuisen laseroptiikan lisäksi tarkka substraatin paikannus. Tässä tarvitaan liikkuvaa alustaa.
NanoOne-laitteissa käytetään FAULHABER-moottorikäyttöjä
Nimi ”Automatisoitu kallistuksen korjausinsertti” kuvaa tämän alustan toimintaa: on lähes mahdotonta estää substraattia kallistumasta, kun tulostussubstraatti lisätään tulostimeen. Insertti korjaa tämän kallistuman. Substraatin sijaintia voidaan muuttaa kolmella akselilla (x, y ja z) ja näin se voidaan paikoittaa optimaalisesti.” Me saavutamme tasaisuuden alle mikrometrien asteikolla,” korostaa Peter Gruber. ”Tämä mahdollistaa, että laseroptiikan tarkkuutta voidaan hyödyntää tulostettavassa materiaalissa. Lisäksi nämä komponentit on erotettu ympäröivästä teknologiasta ja kotelosta. Tämän tuloksena tulostin voidaan sijoittaa yksinkertaisesti mille tahansa vakaalle pöydälle.”
Mekaaninen voima alustan tarkkaa paikoitusta varten saadaan kolmesta jalometallikommutaattoreita käyttävästä DC-vaihdemoottorista ja integroidusta Faulhaberin 1512 ... SR IE2-8 -sarjan enkooderista. Ainutlaatuisen tasainen käämitysteknologia kolmella tasaisella itsestään tuetulla kuparikäämillä mahdollistaa erittäin kompaktin rakenteen, jonka halkaisija on vain 15 millimetriä ja pituus ainoastaan 14,3 millimetriä. Huipputehokkaiden harvinaista maametallia sisältävien magneettien ansiosta moottori tarjoaa poikkeuksellisen korkean vääntömomentin.
Moottoriyksikköön on integroitu planeettapyörästön lisäksi myös optinen enkooderi. ”Valitsimme vaihdemoottorit, optimaalisimman ratkaisun meidän tarpeisiimme”, muistelee Peter Gruber. ”FAULHABER ehdotti meille sellaisen version valitsemista, jossa on enkooderi. Tämä tekee paikannuksesta entistäkin tarkempaa ja sujuvampaa. Vaikka moottoriyksikkö onkin pieni, se on valtavan voimakas. Korkean tarkkuutensa ansiosta se parantaa NanoOne-laitteidemme tulostusprosessin laatutasoa kaikkein tärkeimmässä kohdassa.”
