La stampante che non teme i dettagli più piccoli
Il termine “nano”, ereditato dal greco antico, indica qualcosa di estremamente piccolo, pari nel linguaggio tecnico a un miliardesimo (10⁻⁹). Con la piattaforma NanoOne di UpNano, però, la miniaturizzazione spinge i limiti ben oltre il semplice nanometro, consentendo la realizzazione di strutture tridimensionali così minute da risultare invisibili a occhio nudo e persino a molti microscopi ottici.
Per ottenere queste forme microscopiche, un fascio di luce laser altamente concentrato viene focalizzato all’interno di un materiale fotopolimerico liquido: il processo avviene su scale dell’ordine dei millesimi di millimetro e richiede che il substrato sia allineato con estrema precisione, compito affidato a tre motori compatti ad alte prestazioni forniti da FAULHABER.
Forme più sottili di un capello, pensate per la ricerca medica
Le strutture prodotte con NanoOne si presentano a prima vista come semplici granelli di polvere, con dimensioni totali che occupano solo una frazione di millimetro. Le barre che le compongono sono circa cento volte più sottili di un capello umano e possono essere osservate in dettaglio soltanto con un microscopio elettronico a scansione.
Questi microcomponenti vengono utilizzati in primo luogo nella ricerca biomedica: fungono da scaffold tridimensionali per cellule viventi, da microfiltri per separazioni ad alta precisione, da microaghi per sistemi di somministrazione mirata e da microlenti per ottiche miniaturizzate.
Un castello di 6 millimetri sulla punta di una matita
UpNano nasce come spin-off dell’Università Tecnica di Vienna, dopo oltre cinque anni di ricerca accademica dedicata alla stampa 3D ad altissima risoluzione. Per mostrare le potenzialità della tecnologia, il team ha stampato un castello in miniatura direttamente sulla punta di una matita: un modello alto appena 6 millimetri ma ricco di dettagli come cornici, archi, finestre sporgenti, due torri e colonne sottilissime.
Nella versione di mercato della stampante NanoOne, ulteriormente sviluppata e oggi distribuita a livello globale, è possibile spingersi ancora oltre questi risultati: il sistema riesce a generare elementi con spessori inferiori a 200 nanometri sul piano orizzontale e intorno a 550 nanometri sull’asse verticale, preservando forme geometriche complesse.
Litografia a due fotoni: quando i fotoni “scolpiscono” il polimero
Il cuore della tecnologia di NanoOne è la litografia a due fotoni, un processo che sfrutta un effetto quantistico nel quale due fotoni cooperano per innescare la polimerizzazione di un fotopolimero in un volume estremamente ristretto. In pratica, il materiale liquido si solidifica soltanto in un punto preciso in cui la densità di fotoni, sia nel tempo sia nello spazio, supera una soglia ben definita.
Per ottenere questa condizione serve un flusso di luce molto intenso: un laser a impulsi ultra brevi e ad alta potenza fornisce i fotoni necessari, mentre il sistema ottico di NanoOne ne concentra l’energia in un singolo punto all’interno del materiale. A differenza delle tecniche di stampa 3D che attivano la polimerizzazione lungo l’intero cammino del fascio, qui la trasformazione avviene solo nel fuoco del laser, rendendo possibile una scrittura tridimensionale libera e non vincolata a semplici strati sovrapposti.
Scrivere nello spazio 3D senza vincoli di strato
L’ottica ad alte prestazioni integrata nella stampante sposta il punto di polimerizzazione all’interno del volume di resina con grande libertà, “scrivendo” il pezzo direttamente nello spazio tridimensionale. Questo consente di costruire canali microfluidici complessi, reticoli strutturali e geometrie di lenti direttamente sul supporto desiderato.
La tecnologia permette anche di stampare lenti su estremità di singole fibre ottiche di vetro, oppure di aggiungere microsistemi su chip microfluidici già esistenti. Con un modulo dedicato, inoltre, la macchina può lavorare biomateriali contenenti cellule viventi, formando reti 3D in cui le porzioni polimerizzate definiscono l’architettura, mentre le zone intermedie restano biologicamente attive.
Scaffold cellulari, microendoscopi e fecondazione in vitro
Molti clienti di UpNano operano in settori ad alta confidenzialità e mantengono riservate le loro applicazioni specifiche, ma alcune destinazioni d’uso sono note. Nel campo della fecondazione in vitro, ad esempio, la tecnologia viene impiegata per manipolare singoli ovociti con precisione microscopica.
Altre applicazioni riguardano la fabbricazione di lenti per microendoscopi, capaci di portare l’osservazione medica in regioni del corpo prima irraggiungibili, e lo sviluppo di strutture tridimensionali per la coltura di tessuti, utili in test farmacologici che riducono la necessità di sperimentazione animale. Accanto a medtech e farmaceutica, anche le telecomunicazioni e altri comparti ad alta tecnologia stanno iniziando a esplorare la stampa 3D miniaturizzata per soluzioni personalizzate.
Dai nanometri ai centimetri: un’unica piattaforma di stampa
La gamma di dimensioni accessibili con NanoOne va da strutture inferiori a 150 nanometri fino a oggetti più grandi di 40 millimetri di altezza. Questa estensione di scala è resa possibile dall’impiego di quattro lenti con risoluzioni differenti, selezionabili a seconda del compromesso desiderato tra dettaglio e volume di stampa.
Nonostante il grado di miniaturizzazione, la piattaforma è progettata anche per produttività: in condizioni ottimali il sistema può raggiungere volumi di produzione superiori a 450 millimetri cubi all’ora, un valore elevato per un processo di litografia a due fotoni ad altissima risoluzione.
Allineamento sub-micron grazie agli azionamenti FAULHABER
Affinché il fuoco del laser colpisca esattamente il punto previsto nel materiale, il substrato deve essere allineato con una planarità inferiore al micron. A questo scopo UpNano ha sviluppato un modulo denominato Automatic Tilt Correction Insert, un supporto mobile che compensa le inevitabili piccole inclinazioni introdotte quando il supporto di stampa viene inserito nella macchina.
Questo sistema può regolare la posizione del substrato sui tre assi cartesiani e correggere l’angolo di inclinazione, garantendo che il piano di stampa si trovi nella posizione ideale rispetto al percorso ottico. Le parti sensibili sono inoltre disaccoppiate meccanicamente dal resto della struttura e dall’involucro, così che la stampante possa essere installata su un normale tavolo stabile senza richiedere complesse infrastrutture antivibrazione.
Motori DC in miniatura con grande coppia e encoder integrato
Il movimento del supporto di stampa è affidato a tre motoriduttori DC a spazzole con commutazione in metallo prezioso ed encoder integrato, appartenenti alla serie 1512 … SR IE2‑8 di FAULHABER. Questi azionamenti si basano su una tecnologia di avvolgimento piatta con tre bobine di rame autoportanti, che consente un design estremamente compatto: 15 millimetri di diametro e appena 14,3 millimetri di lunghezza.
L’impiego di magneti in terre rare a elevata prestazione permette di ottenere una coppia motrice insolitamente alta per motori di tali dimensioni. L’encoder ottico integrato garantisce misure precise della posizione e un controllo di movimento fluido, requisiti essenziali per assicurare che la precisione teorica dell’ottica laser si traduca in una qualità concreta del pezzo stampato.
NanoOne come esempio di integrazione tra fotonica e meccatronica
La piattaforma NanoOne dimostra come la litografia a due fotoni possa essere trasformata da strumento di laboratorio in una soluzione industriale, grazie alla combinazione di ottica avanzata, sorgenti laser a impulsi ultracorti e sistemi di posizionamento meccatronici ad altissima precisione. In questo contesto, gli azionamenti miniaturizzati di FAULHABER contribuiscono a mantenere sotto controllo il posizionamento del substrato anche durante cicli di produzione prolungati.
L’integrazione di queste tecnologie rende possibile una produzione affidabile di microstrutture in plastica ad alte prestazioni, utilizzabili in ambiti in cui finora era necessario ricorrere a processi complessi di microfabbricazione o a componenti standard poco adattabili.
FAULHABER: specialista in sistemi di azionamento miniaturizzati
FAULHABER è specializzata nello sviluppo, nella produzione e nella distribuzione di sistemi di azionamento miniaturizzati ad alta precisione, inclusi micromotori DC, motori brushless, riduttori, encoder ed elettroniche di controllo fino a potenze di circa 200 W. L’azienda offre un ampio catalogo standard e soluzioni personalizzate progettate sulle specifiche del cliente, con una forte presenza in settori come tecnologia medica, automazione industriale, ottica di precisione, telecomunicazioni, aviazione, aerospazio e robotica.
Combinando i diversi elementi del proprio portafoglio, FAULHABER è in grado di generare decine di milioni di configurazioni possibili, che spaziano dal microazionamento con diametro inferiore a 2 millimetri fino al motore DC ad alta coppia per applicazioni più impegnative. Questa flessibilità si traduce in sistemi di azionamento ottimizzati per molteplici scenari d’uso, tra cui la stampa 3D ad altissima risoluzione di piattaforme come NanoOne di UpNano.
