Mesoscale Manufacturing / Mesomanufacturing

Mit herkömmlichen Produktionstechniken produzieren wir „makroskalige“ Strukturen, die relativ groß und mit bloßem Auge sichtbar sind. Mit MESOMANUFACTURING produzieren wir jedoch Komponenten für Miniaturgeräte. Mesomanufacturing wird auch als MESOSCALE MANUFACTURING or MESO-MACHINING bezeichnet. Die Mesofertigung überschneidet sich sowohl mit der Makro- als auch mit der Mikrofertigung. Beispiele für Meso-Fertigung sind Hörgeräte, Stents, sehr kleine Motoren.

 

 

 

Der erste Ansatz in der Mesofertigung besteht darin, Makrofertigungsprozesse herunterzuskalieren. Beispielsweise ist eine winzige Drehbank mit Abmessungen von wenigen Dutzend Millimetern und einem Motor mit 1,5 W und einem Gewicht von 100 Gramm ein gutes Beispiel für Mesomanufacturing, bei dem eine Verkleinerung stattgefunden hat. Der zweite Ansatz besteht darin, Mikrofertigungsprozesse hochzuskalieren. Beispielsweise können LIGA-Prozesse hochskaliert werden und in den Bereich der Mesofertigung eintreten.

 

 

 

Unsere Meso-Fertigungsprozesse schließen die Lücke zwischen siliziumbasierten MEMS-Prozessen und konventioneller Miniaturbearbeitung. Mesoscale-Prozesse können zwei- und dreidimensionale Teile mit mikrometergroßen Merkmalen in herkömmlichen Materialien wie Edelstahl, Keramik und Glas herstellen. Meso-Fertigungsverfahren, die uns derzeit zur Verfügung stehen, umfassen Sputtern mit fokussiertem Ionenstrahl (FIB), Mikrofräsen, Mikrodrehen, Excimer-Laserablation, Femtosekunden-Laserablation und Mikro-Elektroerosion (EDM). Diese mesoskaligen Prozesse verwenden subtraktive Bearbeitungstechnologien (dh Materialentfernung), wohingegen der LIGA-Prozess ein additiver mesoskaliger Prozess ist. Mesoherstellungsprozesse haben unterschiedliche Fähigkeiten und Leistungsspezifikationen. Zu den relevanten Spezifikationen der Bearbeitungsleistung gehören die minimale Merkmalsgröße, die Merkmalstoleranz, die Merkmalspositionsgenauigkeit, die Oberflächenbeschaffenheit und die Materialabtragungsrate (MRR). Wir sind in der Lage, elektromechanische Komponenten im Meso-Verfahren herzustellen, die mesoskalige Teile erfordern. Die mesoskaligen Teile, die durch subtraktive Meso-Fertigungsverfahren hergestellt werden, haben einzigartige tribologische Eigenschaften aufgrund der Vielfalt der Materialien und der Oberflächenbedingungen, die durch die verschiedenen Meso-Fertigungsverfahren erzeugt werden. Diese subtraktiven mesoskaligen Bearbeitungstechnologien bringen uns Bedenken in Bezug auf Sauberkeit, Montage und Tribologie. Sauberkeit ist bei der Meso-Fertigung von entscheidender Bedeutung, da mesoskalige Schmutz- und Abfallpartikel, die während des Meso-Bearbeitungsprozesses erzeugt werden, mit mesoskaligen Merkmalen vergleichbar sein können. Beim mesoskaligen Fräsen und Drehen können Späne und Grate entstehen, die Löcher blockieren können. Die Oberflächenmorphologie und die Bedingungen der Oberflächenbeschaffenheit variieren stark in Abhängigkeit von dem Mesoherstellungsverfahren. Mesoscale-Teile sind schwierig zu handhaben und auszurichten, was die Montage zu einer Herausforderung macht, die die meisten unserer Wettbewerber nicht bewältigen können. Unsere Ausbeuteraten in der Mesofertigung sind weitaus höher als bei unseren Wettbewerbern, was uns den Vorteil verschafft, bessere Preise anbieten zu können.

 

 

 

MESOSKALIGE BEARBEITUNGSPROZESSE: Unsere wichtigsten Meso-Fertigungstechniken sind fokussierter Ionenstrahl (FIB), Mikrofräsen und Mikrodrehen, Laser-Meso-Bearbeitung, Mikro-EDM (Elektroentladungsbearbeitung)

 

 

 

Mesofertigung mit fokussiertem Ionenstrahl (FIB), Mikrofräsen und Mikrodrehen: Das FIB sputtert Material von einem Werkstück durch Beschuss mit Galliumionenstrahlen. Das Werkstück wird auf einer Reihe von Präzisionstischen montiert und in einer Vakuumkammer unter der Galliumquelle platziert. Die Translations- und Rotationsstufen in der Vakuumkammer machen verschiedene Stellen auf dem Werkstück für den Strahl von Gallium-Ionen für die FIB-Mesoherstellung verfügbar. Ein abstimmbares elektrisches Feld tastet den Strahl ab, um einen vordefinierten projizierten Bereich abzudecken. Ein Hochspannungspotential bewirkt, dass eine Galliumionenquelle beschleunigt und mit dem Werkstück kollidiert. Die Kollisionen lösen Atome vom Werkstück ab. Das Ergebnis des FIB-Meso-Bearbeitungsprozesses kann die Erzeugung von nahezu vertikalen Facetten sein. Einige uns zur Verfügung stehende FIBs haben Strahldurchmesser von nur 5 Nanometern, was die FIB zu einer mesoskaligen und sogar mikroskaligen Maschine macht. Wir montieren Mikrofräswerkzeuge auf hochpräzisen Fräsmaschinen, um Kanäle in Aluminium zu bearbeiten. Mit FIB können wir Mikrodrehwerkzeuge herstellen, die dann auf einer Drehmaschine zur Herstellung von Feingewindestangen verwendet werden können. Mit anderen Worten, FIB kann neben der direkten Mesobearbeitung von Merkmalen auf dem Endwerkstück auch zur Bearbeitung von Hartwerkzeugen verwendet werden. Die langsame Materialentfernungsrate hat die FIB als unpraktisch für die direkte Bearbeitung großer Merkmale gemacht. Die harten Werkzeuge hingegen können Material mit beeindruckender Geschwindigkeit abtragen und sind ausdauernd genug für mehrere Stunden Bearbeitungszeit. Nichtsdestotrotz ist die FIB praktisch für die direkte Meso-Bearbeitung komplexer dreidimensionaler Formen, die keine wesentliche Materialabtragungsrate erfordern. Belichtungsdauer und Einfallswinkel können die Geometrie von direkt bearbeiteten Merkmalen stark beeinflussen.

 

 

 

Laser-Meso-Fertigung: Für die Meso-Fertigung werden Excimer-Laser verwendet. Der Excimer-Laser bearbeitet Material, indem er es mit Nanosekunden-Pulsen von ultraviolettem Licht pulsiert. Das Werkstück wird auf Präzisionstranslationstischen montiert. Eine Steuerung koordiniert die Bewegung des Werkstücks relativ zum stationären UV-Laserstrahl und koordiniert das Abfeuern der Impulse. Eine Maskenprojektionstechnik kann verwendet werden, um Meso-Bearbeitungsgeometrien zu definieren. Die Maske wird in den aufgeweiteten Teil des Strahls eingeführt, wo die Laserfluenz zu gering ist, um die Maske abzutragen. Die Maskengeometrie wird durch das Objektiv verkleinert und auf das Werkstück projiziert. Dieser Ansatz kann zum gleichzeitigen Bearbeiten mehrerer Löcher (Arrays) verwendet werden. Unsere Excimer- und YAG-Laser können zur Bearbeitung von Polymeren, Keramiken, Glas und Metallen mit Strukturgrößen von nur 12 Mikrometern verwendet werden. Eine gute Kopplung zwischen der UV-Wellenlänge (248 nm) und dem Werkstück bei der Laser-Meso-Fertigung / Meso-Bearbeitung führt zu vertikalen Kanalwänden. Ein saubererer Laser-Meso-Bearbeitungsansatz ist die Verwendung eines Ti-Saphir-Femtosekundenlasers. Die nachweisbaren Trümmer aus solchen Mesoherstellungsprozessen sind Partikel in Nanogröße. Mit dem Femtosekundenlaser können tiefe Merkmale mit einer Größe von einem Mikrometer mikrogefertigt werden. Das Femtosekunden-Laserablationsverfahren ist insofern einzigartig, als es atomare Bindungen aufbricht, anstatt Material thermisch abzutragen. Der Femtosekundenlaser-Mesobearbeitungs-/Mikrobearbeitungsprozess nimmt einen besonderen Platz in der Mesofertigung ein, da er sauberer, mikrometerfähig und nicht materialspezifisch ist.

 

 

 

Meso-Fertigung mittels Mikro-EDM (Elektro-Entladungs-Bearbeitung): Bei der Elektro-Entladungs-Bearbeitung wird Material durch einen Funkenerosionsprozess abgetragen. Unsere Mikro-EDM-Maschinen können Merkmale von nur 25 Mikron erzeugen. Für die Platine und die Draht-Mikro-EDM-Maschine sind die beiden Hauptüberlegungen zur Bestimmung der Merkmalsgröße die Elektrodengröße und der Überbrennspalt. Es werden Elektroden mit einem Durchmesser von etwas mehr als 10 Mikrometern und einem Überbrand von nur wenigen Mikrometern verwendet. Das Erstellen einer Elektrode mit komplexer Geometrie für die Senkerodiermaschine erfordert Know-how. Sowohl Graphit als auch Kupfer sind als Elektrodenmaterialien beliebt. Ein Ansatz zur Herstellung einer komplizierten Senkerodierelektrode für ein mesoskaliges Teil ist die Verwendung des LIGA-Prozesses. Kupfer als Elektrodenmaterial kann in LIGA-Formen einplattiert werden. Die Kupfer-LIGA-Elektrode kann dann auf der Senkerodiermaschine montiert werden, um ein Teil aus einem anderen Material wie Edelstahl oder Kovar mesozu fertigen.

 

 

 

Kein Meso-Fertigungsprozess ist für alle Operationen ausreichend. Einige mesoskalige Prozesse haben eine größere Reichweite als andere, aber jeder Prozess hat seine Nische. Meistens benötigen wir eine Vielzahl von Materialien, um die Leistung mechanischer Komponenten zu optimieren, und sind mit traditionellen Materialien wie Edelstahl vertraut, da diese Materialien eine lange Geschichte haben und im Laufe der Jahre sehr gut charakterisiert wurden. Mesomanufacturing-Prozesse ermöglichen es uns, traditionelle Materialien zu verwenden. Subtraktive mesoskalige Bearbeitungstechnologien erweitern unsere Materialbasis. Abrieb kann bei einigen Materialkombinationen in der Mesofertigung ein Problem sein. Jeder einzelne mesoskalige Bearbeitungsprozess wirkt sich auf einzigartige Weise auf die Oberflächenrauhigkeit und -morphologie aus. Beim Mikrofräsen und Mikrodrehen können Grate und Partikel entstehen, die mechanische Probleme verursachen können. Mikro-EDM kann eine umgeformte Schicht hinterlassen, die besondere Verschleiß- und Reibungseigenschaften aufweisen kann. Reibungseffekte zwischen mesoskaligen Teilen können begrenzte Kontaktpunkte haben und werden durch Oberflächenkontaktmodelle nicht genau modelliert. Einige Mesoscale-Bearbeitungstechnologien wie Mikro-EDM sind ziemlich ausgereift, im Gegensatz zu anderen wie Femtosekundenlaser-Mesobearbeitung, die noch weiterer Entwicklung bedürfen.