antriebstechnik 12/2024

SPECIAL: ANTRIEBSTECHNIK

SPECIAL: ANTRIEBSTECHNIK IN MEDIZIN UND LABORSUBSTRATAUSRICHTUNG MIT DC-KLEINSTANTRIEBENZWEI-PHOTONEN-LITHOGRAFIE:PRÄZISE 3D-MIKROSTRUKTUREN BAUENDC-Kleinstantriebe überzeugen durchgeringe Leistungsaufnahme, hoheEffizienz und einfacheDrehzahlregelung. Zudem sind sieleicht, leise und zuverlässig. In vielenBranchen treiben sie daher dietechnische Entwicklung immer wiederentscheidend voran. So auch beiadditiven Fertigungsverfahren.Mit Nano-3D-Druckern lassen sichäußerst filigrane Strukturenrealisieren. Für die präziseAusrichtung des Substrats sorgenhierbei leistungsfähige Motoren einesführenden Anbieters von MiniaturundMikroantriebstechnik.Dreidimensionale Mikrostrukturen aus Stegen, die 100-mal dünner als das menschliche Haar sind, könnenheutzutage mit innovativen Nano-3D-Druckern hergestelltwerden. Upnano, ein Spin-off der TechnischenUniversität Wien baut sie. Weder mit dem bloßen Auge noch miteinem starken Lichtmikroskop sind die Strukturen erkennbar.Erst ein Rasterelektronenmikroskop kann die gedruckten Strukturenauflösen und abbilden. Benötigt werden Elemente mit solchenNanostrukturen beispielsweise bei medizinischen Versuchen,unter anderem als Gerüst für lebende Zellen, als Mikrofilter,Mikronadeln oder Mikrolinsen.Bereits vor dem Start des Unternehmens hatten die Firmengründeran der Uni Wien an hochauflösenden 3D-Druck-Verfahrengeforscht. Um zu zeigen, was möglich ist, haben sie damalsdas Modell einer Burg auf die Spitze eines Bleistifts gedruckt, undzwar komplett mit mehreren Stockwerken, Erkern, Simsen, Torbögen,zwei Türmen und eleganten Säulen. Die Säulen waren gerademal 950 nm dick.Inzwischen hat Upnano den Drucker zur Serienreife entwickeltund vertreibt ihn weltweit. Das Serienmodell übertrifft den Pro-Ellen-Christine Reiff und Alex Homburg, Redaktionsbüro Stutenseeim Auftrag der Dr. Fritz Faulhaber GmbH & Co. KG, Schönaichtotypen hinsichtlich der Auflösung noch einmal deutlich: Horizontalsind nun sogar Strukturen kleiner als 200 nm und vertikalkleiner als 550 nm realisierbar.KUNSTSTOFFMOLEKÜLE MIT LICHT VERKETTENDas Verfahren der Zwei-Photonen-Lithografie ermöglicht dieHerstellung derart miniaturisierter Objekte. Es beruht auf einemQuanteneffekt zwischen zwei Lichtteilchen. Sie lösen damit dieVerfestigung des Materials aus, bei der sich die Kunststoffmolekülezu stabilen Ketten verbinden. Peter Gruber, Mitgründer undCTO von Upnano erklärt: „Um die entscheidenden Photonenpaareins Ziel zu bringen, müssen wir eine gigantische Anzahlvon Lichtteilchen abfeuern, denn wir benötigen zeitlich undräumlich eine enorme Photonendichte für das Herbeiführen dergesteuerten Polymerisation.“ Ein Laser liefert die Photonen undmuss dazu mit extrem kurzen Pulsen hoher Intensität arbeiten.Die Methode erlaubt zudem eine große Zielgenauigkeit.„Bei anderen lichtbasierten 3D-Druckverfahren wird die Polymerisationentlang des gesamten Strahlwegs ausgelöst, mankann also nur schichtweise produzieren“, erläutert Gruber. „Mitder 2-Photonen Lithografie können wir sie auf einen winzigenPunkt fokussieren. Dieser Punkt wird von der Hochleistungsoptikunseres Druckers beliebig durch das Material bewegt. So könnenwir praktisch jede geometrische Struktur produzieren.“34 antriebstechnik 2024/12 www.antriebstechnik.de

010201 Hochauflösendes 3D-DrucksystemNano-One für die Herstellung vonMikrostrukturen mittels der 2-Photonen-Polymerisation, im Bild die Variante mitZusatzmodul für Biomaterialien02 Drei solche edelmetallkommutierteDC-Getriebemotoren mit integriertemEncoder sorgen für eine präzise Positionierungund Ausrichtung der SubstrathalterungMIKROFLUIDIK, LINSEN ODER BIOMATERIALIENAus solchen Strukturen entstehen neben Kanälen und anderenElementen für die Mikrofluidik auch Linsen, die auf dem Endeeinzelner Glasfasern aufgedruckt werden. Der Druck kann sogarin bestehenden Mikrofluidik-Chips stattfinden, um zusätzlicheStrukturen hinzuzufügen.Ein Zusatzmodul ermöglicht darüber hinaus das Drucken mitBiomaterial, das lebende Zellen enthält. Da die Polymerisationder dreidimensionalen Strukturen nur an den vorgesehenen Stellenerfolgt, bleiben die Zellen in den Zwischenräumen unversehrt.Die Konstrukte können wie ein Zellverbund in menschlichemGewebe geformt werden. Sie werden für tierversuchsfreieArzneimitteltests eingesetzt.Viele Kundenanwendungen unterliegen der strengen Geheimhaltung.„Wir wissen nur von einigen konkreten Anwendungen,zum Beispiel in der In-vitro-Fertilisation, wo mit einzelnen Eizellengearbeitet wird, oder von Linsen für Mikro-Endoskope“, berichtetGruber. „Unsere Abnehmer finden wir hauptsächlich in derMedizintechnik, der Pharmaindustrie und der Telekommunikation.Zugleich gibt es immer mehr weitere Branchen, die die Möglichkeitendes miniaturisierten 3D-Drucks für sich entdecken.“SUBSTRAT EXAKT AUSRICHTENDer Nano-One-Drucker kann Objekte mit einer Größe von unter150 nm bis zu 40 mm herstellen. Für größtmögliche Flexibilitätsorgen vier Objektive mit unterschiedlicher Auflösung. Ein Durchsatzvon mehr als 450 mm 3 /h erlaubt eine große Produktivität.Die Präzision des Druckvorgangs wird neben der hochwertigenLaseroptik durch die exakte Ausrichtung des Substrats gewährleistet,das auf einer beweglichen Halterung befestigt wird. DieHalterung korrigiert das Verkippen, das sich beim Einlegen desSubstrats in den Drucker kaum vermeiden lässt. Die Ausrichtunglässt sich auf drei Achsen (X, Y und Z) verändern. So kann dasSubstrat optimal positioniert werden.„Wir erreichen damit eine Ebenheit im Sub-Mikrometer bereich“,betont Gruber. „Damit ist gewährleistet, dass die Präzision derLaseroptik tatsächlich im Druckmaterial ankommt. Die relevantenKomponenten sind außerdem von der umgebenden Technikund dem Gehäuse entkoppelt. Der Drucker kann also einfach aufeinem beliebigen stabilen Tisch stehen.“DC-GETRIEBEMOTOR MIT ENCODERFür die präzise Positionierung der Halterung sorgen drei edelmetallkommutierteFaulhaber DC-Getriebemotoren mit integriertemEncoder der Serie 1512. Die Motoren eignen sich fürschnelle Start-und-Stopp-Anwendungen, arbeiten rastmomentfrei,haben einen sehr geringen Stromverbrauch und sind darüberhinaus ausgesprochen leicht. Ihre Spulentechnologie mit drei flachenfreitragenden Kupferwicklungen ermöglicht eine äußerstkompakte Bauform: Der Motor hat einen Durchmesser von15 mm und eine Länge von nur 14,3 mm. Dank der Hochleistungs-Seltenerdmagnete liefert er ein hohes Antriebsmoment von30 mNm im Dauerbetrieb. Kurzzeitig sind bis zu 50 mNm möglich.Neben dem Getriebe ist im Antrieb auch ein optischer Encoderintegriert. „Die Getriebemotoren haben wir für uns als die optimaleLösung ausgewählt“, erzählt Gruber. „Der Vorschlag, dieVersion mit Encoder einzusetzen, kam von Faulhaber. Damitfunktioniert die Ausrichtung noch genauer und reibungsloser.Mit seiner hohen Präzision trägt der Antrieb damit entscheidendzur Qualität des Druckprozesses unserer Geräte bei.“Bilder: Upnano, Bild 02: Faulhaberwww.faulhaber.comDIE IDEE„Faulhaber ist spezialisiert auf dieEntwicklung, Produktion undApplikation von hochpräzisenKlein- und Kleinstantriebssystemen,Servokomponenten und Steuerungen.Dazu zählt die Realisierung vonkundenspezifischen Lösungen ebensowie ein umfangreiches Programm anStandardprodukten mit bürstenlosenMotoren, DC-Kleinstmotoren,Encodern und Motion Controllern. Inder Medizintechnik, Fabrikautomation,Präzisionsoptik, Luft- undRaumfahrt sowie Robotik überzeugenunsere Antriebe durch hohe Präzision,Qualität und Zuverlässigkeit. Nichtselten leisten unsere Antriebe dahereinen wesentlich Beitrag zu innovativenAnwendungen: Bei der Zwei-Photonen-Lithografie zum Aufbauenvon 3D-Nano-Strukturen sorgen siefür eine hochgenaue Ausrichtung desSubstrats.“Andreas Seegen, Head of MarketingCommunications bei Faulhaber DriveSystemswww.antriebstechnik.de antriebstechnik 2024/12 35