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 – mit mehreren Stockwerken, Erkern, Simsen, Torbögen, zwei Türmen und Säulen – auf die Spitze eines Bleistifts gedruckt. Die Säulen waren gerade mal 950nm dick. Der Drucker, den das Unternehmen inzwischen weltweit vertreibt, geht noch einen Schritt weiter: horizontal sind Strukturen kleiner als 200nm, vertikal kleiner als 550nm realisierbar.
Lithografie für feine Strukturen
Die Herstellung der kleinen Objekte gelingt mittels 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 große Anzahl von Lichtteilchen abfeuern, denn wir benötigen zeitlich und räumlich eine hohe Photonendichte für das Herbeiführen der gesteuerten Polymerisation.“
Der Laser, der die Photonen liefert, arbeitet mit kurzen Pulsen hoher Intensität und ist ausgesprochen zielgenau. „Bei anderen lichtbasierten 3D-Druckverfahren wird die Polymerisation entlang des gesamten Strahlwegs ausgelöst, man kann also nur schichtweise produzieren. Mit der 2-Photonen-Lithografie können wir sie auf einen kleinen Punkt fokussieren. Der Punkt wird von der Hochleistungsoptik unseres Druckers beliebig durch das Material bewegt. So können wir praktisch jede geometrische Struktur produzieren“, ergänzt Gruber.
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 bedeckt. Viele verwenden sie unter strenger Geheimhaltung. „Wir wissen nur von einigen konkreten Anwendungen, z.B. in der Invitro-Fertilisation, wo mit einzelnen Eizellen gearbeitet wird, oder von Linsen für Mikro-Endoskope“, berichtet 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 150nm bis 40mm. Für Flexibilität sorgen vier Objektive mit unterschiedlicher Auflösung. Ein Durchsatz von mehr als 450mm3 pro Stunde ist Grundlage für eine große Produktivität. Für die Präzision des Druckvorgangs sorgt neben der Laseroptik die exakte Ausrichtung des Substrats, die auf einer beweglichen Halterung befestigt wird. 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 richtige 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 auf einem beliebigen stabilen Tisch stehen.“
DC-Getriebemotoren mit Encoder
Für die präzise Positionierung der Halterung sorgen drei edelmetallkommutierte DC-Getriebemotoren mit integriertem Encoder der Serie 1512 von Faulhaber. Die Motoren eignen sich für schnelle Start/Stopp-Anwendungen, arbeiten rastmomentfrei, haben einen geringen Stromverbrauch und sind leicht. Ihre Spulentechnik mit drei flachen freitragenden Kupferwicklungen ermöglicht eine kompakte Bauform mit 15mm Durchmesser und einer Länge von nur 14,3mm. Aufgrund der Hochleistungs-Seltenerdmagnete liefert der Motor ein hohes Antriebsmoment von 30mNm im Dauerbetrieb. Kurzzeitig sind bis 50mNm möglich.
Neben dem Getriebe ist im Antrieb auch ein optischer Encoder integriert. „Die Getriebemotoren haben wir für uns als die beste Lösung ausgewählt“, versichert Gruber. „Der Vorschlag, die Version mit Encoder einzusetzen, kam von Faulhaber. Damit soll die Ausrichtung genauer und reibungsloser funktionieren. Durch die Präzision trägt der Antrieb zur Qualität des Druckprozesses unserer Geräte bei.“
