Mesoscale Manufacturing / Mesomanufacturing

Με τις συμβατικές τεχνικές παραγωγής παράγουμε δομές «μακροκλίμακας» που είναι σχετικά μεγάλες και ορατές με γυμνό μάτι. With MESOMANUFACTURING ωστόσο παράγουμε εξαρτήματα για μικροσκοπικές συσκευές. Η μεσοκατασκευή αναφέρεται επίσης ως MESOSCALE MANUFACTURING or_5cc556-BAD Η μεσοβιομηχανία επικαλύπτει τόσο τη μακροβιομηχανία όσο και τη μικροκατασκευή. Παραδείγματα μεσοκατασκευής είναι τα βοηθήματα ακοής, τα στεντ, οι πολύ μικροί κινητήρες.

 

 

 

Η πρώτη προσέγγιση στη μεσοβιομηχανία είναι η μείωση της κλίμακας των διαδικασιών μακροβιομηχανίας. Για παράδειγμα, ένας μικροσκοπικός τόρνος με διαστάσεις σε μερικές δεκάδες χιλιοστά και ένας κινητήρας 1,5 W βάρους 100 γραμμαρίων είναι ένα καλό παράδειγμα μεσοβιομηχανίας όπου έχει γίνει μείωση της κλίμακας. Η δεύτερη προσέγγιση είναι η αύξηση της κλίμακας των διεργασιών μικροκατασκευής. Για παράδειγμα, οι διαδικασίες LIGA μπορούν να αναβαθμιστούν και να εισέλθουν στη σφαίρα της μεσοβιομηχανίας.

 

 

 

Οι διαδικασίες μας μεσοκατασκευής γεφυρώνουν το χάσμα μεταξύ των διαδικασιών MEMS που βασίζονται σε πυρίτιο και της συμβατικής μικροτεχνικής κατεργασίας. Οι διεργασίες μεσοκλίμακας μπορούν να κατασκευάσουν δισδιάστατα και τρισδιάστατα εξαρτήματα με χαρακτηριστικά μεγέθους micron σε παραδοσιακά υλικά όπως ανοξείδωτους χάλυβες, κεραμικά και γυαλί. Οι διαδικασίες μεσοκατασκευής που είναι διαθέσιμες αυτήν τη στιγμή σε εμάς περιλαμβάνουν τη διασκορπισμό με δέσμη ιόντων (FIB), τη μικρο-άλεση, τη μικροστροφή, την αφαίρεση με λέιζερ excimer, την κατάλυση με λέιζερ femto-second και τη μηχανική κατεργασία μικροηλεκτροεκφόρτισης (EDM). Αυτές οι διεργασίες μέσης κλίμακας χρησιμοποιούν τεχνολογίες αφαιρετικής μηχανικής κατεργασίας (π.χ. αφαίρεση υλικού), ενώ η διαδικασία LIGA είναι μια διαδικασία προσθετικής μέσης κλίμακας. Οι διαδικασίες μεσοκατασκευής έχουν διαφορετικές δυνατότητες και προδιαγραφές απόδοσης. Οι προδιαγραφές απόδοσης μηχανικής κατεργασίας που ενδιαφέρουν περιλαμβάνουν το ελάχιστο μέγεθος χαρακτηριστικών, την ανοχή χαρακτηριστικών, την ακρίβεια θέσης χαρακτηριστικών, το φινίρισμα επιφάνειας και τον ρυθμό αφαίρεσης υλικού (MRR). Έχουμε τη δυνατότητα μεσοκατασκευής ηλεκτρομηχανικών εξαρτημάτων που απαιτούν εξαρτήματα μέσης κλίμακας. Τα εξαρτήματα μεσοκλίμακας που κατασκευάζονται με διαδικασίες αφαιρετικής μεσοκατασκευής έχουν μοναδικές τριβολογικές ιδιότητες λόγω της ποικιλίας των υλικών και των επιφανειακών συνθηκών που παράγονται από τις διαφορετικές διαδικασίες μεσοκατασκευής. Αυτές οι τεχνολογίες μηχανικής κατεργασίας αφαιρετικής μέσης κλίμακας μας προκαλούν ανησυχίες σχετικά με την καθαριότητα, τη συναρμολόγηση και την τριβολογία. Η καθαριότητα είναι ζωτικής σημασίας για την κατασκευή μεσοκατασκευής, επειδή το μέγεθος των σωματιδίων βρωμιάς και υπολειμμάτων που δημιουργούνται κατά τη διαδικασία μεσοκατεργασίας μπορεί να είναι συγκρίσιμα με χαρακτηριστικά μεσαίας κλίμακας. Το φρεζάρισμα και το γύρισμα σε μέση κλίμακα μπορεί να δημιουργήσει τσιπς και γρέζια που μπορούν να φράξουν τρύπες. Η μορφολογία της επιφάνειας και οι συνθήκες φινιρίσματος της επιφάνειας ποικίλλουν σημαντικά ανάλογα με τη μέθοδο μεσοκατασκευής. Τα εξαρτήματα μέσης κλίμακας είναι δύσκολο να χειριστούν και να ευθυγραμμιστούν, γεγονός που καθιστά τη συναρμολόγηση μια πρόκληση την οποία οι περισσότεροι από τους ανταγωνιστές μας δεν μπορούν να ξεπεράσουν. Τα ποσοστά απόδοσης μας στη μεσοβιομηχανία είναι πολύ υψηλότερα από τους ανταγωνιστές μας, γεγονός που μας δίνει το πλεονέκτημα να μπορούμε να προσφέρουμε καλύτερες τιμές.

 

 

 

ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΕΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΗΣ ΜΕ ΜΕΣΟΚΛΙΜΑΚΑ: Οι κύριες τεχνικές μας μεσοκατασκευής είναι η δέσμη ιόντων εστιασμένης δέσμης (FIB), η μικροφρεζάρισμα και η μικροτόνευση, η μεσοκατεργασία με λέιζερ, η κατεργασία Micro-EDM (κατεργασία με ηλεκτρική εκκένωση)

 

 

 

Μεσοκατασκευή με χρήση εστιασμένης δέσμης ιόντων (FIB), μικροφρεζάρισμα και μικροτόνισμα: Το FIB εκτοξεύει υλικό από ένα τεμάχιο εργασίας με βομβαρδισμό με δέσμη ιόντων γαλλίου. Το τεμάχιο εργασίας τοποθετείται σε ένα σύνολο βαθμίδων ακριβείας και τοποθετείται σε θάλαμο κενού κάτω από την πηγή γαλλίου. Τα στάδια μετατόπισης και περιστροφής στον θάλαμο κενού καθιστούν διαθέσιμες διάφορες θέσεις στο τεμάχιο εργασίας στη δέσμη ιόντων γαλλίου για την κατασκευή μεσοκατασκευής FIB. Ένα ρυθμιζόμενο ηλεκτρικό πεδίο σαρώνει τη δέσμη για να καλύψει μια προκαθορισμένη προβαλλόμενη περιοχή. Ένα δυναμικό υψηλής τάσης προκαλεί την επιτάχυνση μιας πηγής ιόντων γαλλίου και τη σύγκρουση με το τεμάχιο εργασίας. Οι συγκρούσεις απομακρύνουν τα άτομα από το τεμάχιο εργασίας. Το αποτέλεσμα της διαδικασίας μεσο-κατεργασίας FIB μπορεί να είναι η δημιουργία σχεδόν κάθετων όψεων. Ορισμένα FIB που έχουμε στη διάθεσή μας έχουν διάμετρο δέσμης έως και 5 νανόμετρα, καθιστώντας το FIB ένα μηχάνημα με δυνατότητα μέσης κλίμακας και ακόμη και σε μικροκλίμακα. Τοποθετούμε εργαλεία μικρο-φρεζαρίσματος σε φρέζες υψηλής ακρίβειας σε κανάλια μηχανών από αλουμίνιο. Χρησιμοποιώντας το FIB μπορούμε να κατασκευάσουμε εργαλεία μικροστροφής τα οποία στη συνέχεια μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε έναν τόρνο για την κατασκευή ράβδων με λεπτό σπείρωμα. Με άλλα λόγια, το FIB μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μηχανική κατεργασία σκληρών εργαλείων εκτός από τα χαρακτηριστικά μεσοκατεργασίας απευθείας στο τελικό τεμάχιο εργασίας. Ο αργός ρυθμός αφαίρεσης υλικού έχει καταστήσει το FIB μη πρακτικό για την άμεση κατεργασία μεγάλων χαρακτηριστικών. Τα σκληρά εργαλεία, ωστόσο, μπορούν να αφαιρέσουν υλικό με εντυπωσιακό ρυθμό και είναι αρκετά ανθεκτικά για αρκετές ώρες χρόνου κατεργασίας. Ωστόσο, το FIB είναι πρακτικό για άμεση μεσοκατεργασία σύνθετων τρισδιάστατων σχημάτων που δεν απαιτούν σημαντικό ρυθμό αφαίρεσης υλικού. Το μήκος έκθεσης και η γωνία πρόσπτωσης μπορούν να επηρεάσουν σε μεγάλο βαθμό τη γεωμετρία των άμεσα επεξεργασμένων χαρακτηριστικών.

 

 

 

Laser Mesomanufacturing: Τα λέιζερ Excimer χρησιμοποιούνται για την κατασκευή μεσοκατασκευής. Το λέιζερ excimer κατασκευάζει υλικό παλλώντας το με παλμούς νανοδευτερόλεπτου υπεριώδους φωτός. Το τεμάχιο εργασίας τοποθετείται σε μεταφραστικά στάδια ακριβείας. Ένας ελεγκτής συντονίζει την κίνηση του τεμαχίου εργασίας σε σχέση με τη σταθερή δέσμη λέιζερ UV και συντονίζει την εκτόξευση των παλμών. Μια τεχνική προβολής μάσκας μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον καθορισμό γεωμετριών μεσο-κατεργασίας. Η μάσκα εισάγεται στο εκτεταμένο τμήμα της δέσμης όπου η ροή του λέιζερ είναι πολύ χαμηλή για να αφαιρεθεί η μάσκα. Η γεωμετρία της μάσκας απο-μεγεθύνεται μέσω του φακού και προβάλλεται πάνω στο τεμάχιο εργασίας. Αυτή η προσέγγιση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατεργασία πολλαπλών οπών (συστοιχιών) ταυτόχρονα. Τα λέιζερ excimer και YAG μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατεργασία πολυμερών, κεραμικών, γυαλιού και μετάλλων με μεγέθη χαρακτηριστικών έως και 12 μικρά. Η καλή σύζευξη μεταξύ του μήκους κύματος υπεριώδους ακτινοβολίας (248 nm) και του τεμαχίου εργασίας στην κατασκευή μεσοκατασκευής/μεσοκατεργασίας λέιζερ έχει ως αποτέλεσμα κατακόρυφα τοιχώματα καναλιού. Μια πιο καθαρή προσέγγιση μεσοκατεργασίας με λέιζερ είναι η χρήση λέιζερ femtosecond Ti-sapphire. Τα ανιχνεύσιμα συντρίμμια από τέτοιες διεργασίες μεσοκατασκευής είναι σωματίδια μεγέθους νανο. Τα χαρακτηριστικά μεγέθους Deep One micron μπορούν να μικροκατασκευαστούν χρησιμοποιώντας το λέιζερ femtosecond. Η διαδικασία αφαίρεσης με λέιζερ femtosecond είναι μοναδική στο ότι σπάει τους ατομικούς δεσμούς αντί να αφαιρεί θερμικά υλικό. Η διαδικασία μεσοκατεργασίας/μικροκατεργασίας με λέιζερ femtosecond έχει ιδιαίτερη θέση στη μεσοβιομηχανία επειδή είναι πιο καθαρή, ικανή για micron και δεν είναι συγκεκριμένο υλικό.

 

 

 

Μεσοκατασκευή με χρήση Micro-EDM (κατεργασία με ηλεκτρική εκκένωση): Η μηχανική κατεργασία με ηλεκτρική εκκένωση αφαιρεί το υλικό μέσω μιας διαδικασίας διάβρωσης με σπινθήρα. Τα μηχανήματα micro-EDM μας μπορούν να παράγουν χαρακτηριστικά έως και 25 μικρά. Για τον βυθιστή και το μηχάνημα μικρο-EDM με σύρμα, τα δύο κύρια ζητήματα για τον προσδιορισμό του μεγέθους των χαρακτηριστικών είναι το μέγεθος του ηλεκτροδίου και το διάκενο υπερβολικού πτερυγίου. Χρησιμοποιούνται ηλεκτρόδια με διάμετρο λίγο πάνω από 10 μικρόμετρα και υπερβολικά ελαφρά μόλις λίγα μικρά. Η δημιουργία ενός ηλεκτροδίου με πολύπλοκη γεωμετρία για το μηχάνημα EDM βύθισης απαιτεί τεχνογνωσία. Τόσο ο γραφίτης όσο και ο χαλκός είναι δημοφιλείς ως υλικά ηλεκτροδίων. Μια προσέγγιση για την κατασκευή ενός πολύπλοκου ηλεκτροδίου EDM βύθισης για ένα εξάρτημα μέσης κλίμακας είναι η χρήση της διαδικασίας LIGA. Ο χαλκός, ως υλικό ηλεκτροδίου, μπορεί να επιμεταλλωθεί σε καλούπια LIGA. Το χάλκινο ηλεκτρόδιο LIGA μπορεί στη συνέχεια να τοποθετηθεί στο μηχάνημα EDM βυθίσματος για την κατασκευή ενός εξαρτήματος από διαφορετικό υλικό, όπως ανοξείδωτο χάλυβα ή kovar.

 

 

 

Καμία διαδικασία μεσοκατασκευής δεν είναι επαρκής για όλες τις λειτουργίες. Ορισμένες διεργασίες μέσης κλίμακας έχουν μεγαλύτερη εμβέλεια από άλλες, αλλά κάθε διεργασία έχει τη θέση της. Τις περισσότερες φορές χρειαζόμαστε μια ποικιλία υλικών για τη βελτιστοποίηση της απόδοσης των μηχανικών εξαρτημάτων και είμαστε άνετοι με τα παραδοσιακά υλικά όπως ο ανοξείδωτος χάλυβας, επειδή αυτά τα υλικά έχουν μακρά ιστορία και έχουν χαρακτηριστεί πολύ καλά με τα χρόνια. Οι διαδικασίες μεσοκατασκευής μας επιτρέπουν να χρησιμοποιούμε παραδοσιακά υλικά. Οι τεχνολογίες κατεργασίας αφαιρετικής μέσης κλίμακας διευρύνουν τη βάση υλικών μας. Η εκτόξευση μπορεί να είναι ένα πρόβλημα με ορισμένους συνδυασμούς υλικών στη μεσοκατασκευή. Κάθε συγκεκριμένη διαδικασία κατεργασίας μεσοκλίμακας επηρεάζει μοναδικά την τραχύτητα και τη μορφολογία της επιφάνειας. Το μικροφρεζάρισμα και η μικρο-στροφή μπορεί να δημιουργήσουν γρέζια και σωματίδια που μπορεί να προκαλέσουν μηχανικά προβλήματα. Το Micro-EDM μπορεί να αφήσει ένα στρώμα ανακατασκευής που μπορεί να έχει ιδιαίτερα χαρακτηριστικά φθοράς και τριβής. Τα φαινόμενα τριβής μεταξύ τμημάτων μέσης κλίμακας μπορεί να έχουν περιορισμένα σημεία επαφής και δεν μοντελοποιούνται με ακρίβεια από μοντέλα επιφανειακής επαφής. Ορισμένες τεχνολογίες μηχανικής κατεργασίας μεσοκλίμακας, όπως η micro-EDM, είναι αρκετά ώριμες, σε αντίθεση με άλλες, όπως η μεσοκατεργασία με λέιζερ femtosecond, οι οποίες εξακολουθούν να απαιτούν πρόσθετη ανάπτυξη.