Ein Schloss auf der Bleistiftspitze: Wie präzise Mikrobauteile entstehen

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Der 3D-Drucker NanoOne von UpNano ermöglicht die additive Fertigung von Mikrobauteilen, auch in Serie. Die Wild Gruppe unterstützte Entwickler UpNano unter anderem bei der Gehäusekonstruktion und was das Optik-Know-how betrifft.
Mikrobauteile

Quelle: UpNano GmbH

  • Die moderne Forschung und die Medizintechnik sind auf Mikrobauteile angewiesen.
  • Viel spricht dafür, diese Bauteile additiv zu fertigen.
  • Doch die Produktion von funktionalen Komponenten in diesen Größenordnungen lässt herkömmliche 3D-Druckverfahren schnell an ihre Grenzen stoßen.

NanoOne, ein schneller hochauflösender 3D-Drucker, ermöglicht es, Mikrobauteile auf hohem Niveau in Serie zu fertigen. Die Wild Gruppe unterstützte in der Gehäusekonstruktion und mit Optik-Know-how.

Moderne Forschung benötigt immer kleinere und präzisere Bauteile. Auch in der Medizintechnik steigt die Bedeutung von Patienten-Spezifität, einem der Hauptargumente für additive Fertigung. Doch die Produktion von leistungsstarken Komponenten in Mikro- bis Mesogröße ist äußerst anspruchsvoll und lässt herkömmliche 3D-Druckverfahren schnell an ihre Grenzen stoßen. Genau das wollte das Gründerteam des Wiener Hightech-Unternehmens UpNano ändern. Das Ergebnis: Der NanoOne, ein ultraschneller hochauflösender 3D-Drucker, der nun eine neue Ära der additiven Mikrofertigung einläutet und selbst die Verarbeitung von lebenden Zellen ermöglicht. Der patentierte Prozess ist bis zu 100-mal schneller als der bisherige Marktstandard. Das ist ein entscheidender Aspekt, wenn es um biologische Anwendungen geht.

Klein, schnell und präzise

Um höchste Präzision zu erreichen, setzt die UpNano GmbH, die im vergangenen Jahr mit zahlreichen Forschungs- und Wirtschaftspreisen ausgezeichnet wurde, auf das Prinzip der 2-Photonen-Polymerisation (2PP). Dabei härtet ein Ultrakurzpuls-Laser Photopolymere direkt im Materialvolumen aus. Allerdings nur im Fokuspunkt – überall sonst bleibt es flüssig. Auf diese Weise lassen sich feinste Strukturdetails unterschiedlichster Formen in der Größenordnung von 100 Nanometer drucken.

Die Druckgeschwindigkeit konnte auf bis zu 20 mm³/h erhöht und damit die Herstellung der Mikrobauteile erstmals auf eine wirtschaftliche Basis gestellt werden. Gleichzeitig wurde der NanoOne mit Unterstützung der Wild Gruppe und deren WIN-Netzwerkpartnern so optimiert, dass er als Desktop-Gerät selbst im kleinsten Labor eingesetzt werden kann. Dafür musste der optische Pfad überarbeitet werden, was eine Kettenreaktion an Änderungen mit sich brachte. Dieser Herausforderung stellte man sich in wöchentlichen Meetings, in denen die Entwicklungsschritte abgestimmt sowie neue Lösungsansätze geboren und umgesetzt wurden. „Aktuell besprechen wir die Serienüberleitung des Gerätes“, so Wild Business Developer Markus Woschitz.

Mikrobauteile im 3D-Druck fertigen.
Beeindruckendes Beispiel aus dem NanoOne: Ein komplex modelliertes Schloss mit einer Gesamtgröße von nur 0,2 Millimetern wurde in weniger als sechs Minuten auf die Spitze eines Bleistifts gedruckt. Das Schloss enthält alle strukturellen Details, bis hin zu tragenden Säulen mit einem Durchmesser von weniger als einem Tausendstelmillimeter. Bild: UpNano GmbH.

Biokompatibles Drucken

Neben der Druckgeschwindigkeit ist das Anschließen eines Inkubators ein essenzieller Punkt, der es erlaubt, mit dem NanoOne auch Biomaterialien sowie Mischungen aus Polymeren und lebenden Zellen zu verdrucken. Der Inkubator sorgt dafür, dass die Zellen optimale Bedingungen vorfinden, um sich normal zu entwickeln: 37°C, einen Kohlenstoffdioxidgehalt von 5 Prozent und eine konstante Luftfeuchte. Die speziellen Bio-Tinten entwickelte UpNano in Zusammenarbeit mit einer belgischen Forschungsgruppe.

Damit sind der Druckprozess und die verwendeten Photopolymere biokompatibel. Lebende Zellen können also in das Material eingemischt und direkt verdruckt oder auf vorgefertigten, sterilen Strukturen angesiedelt werden. Etwa für dreidimensionale In-vitro-Zelltests, die in der Zellforschung, in der Geweberegeneration sowie in der pharmazeutischen Industrie an Bedeutung gewinnen. „Denn in einer dreidimensionalen Umgebung, die die natürliche Mikroumgebung der Zellen besser widerspiegelt, lässt sich ihr Verhalten viel besser studieren“, erklärt Denise Mandt, Mitgründerin von UpNano. „Außerdem können diese Strukturen direkt in einem Mikrofluidik-Chip gefertigt werden, was völlig neue Ansätze in der in-vitro Forschung ermöglicht.“

Mikrobauteile für die Medizinische Universität Wien

Erfolgreich im Einsatz ist der NanoOne seit 2019 beispielsweise an der Medizinischen Universität Wien. Hier beliefert der 3D-Drucker forschende Abteilungen mit Bauteilen im Mikro- und Mesomaßstab. Ein Projekt etwa befasst sich mit Oberflächen, die eine Besiedelung mit Bakterien verhindern und somit den Einsatz von Antibiotika reduzieren sollen.

Weitere Informationen: https://www.wild.at/

Erfahren Sie mehr darüber, wie DNA ins künstliche Kaninchen gelangt.

Lesen Sie auch: „Industrie 4.0 und soziale Ungleichheit: Sind die Ängste berechtigt?“

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