Fabricação em Mesoescala / Mesomanufatura

Com as técnicas de produção convencionais, produzimos estruturas em “macroescala” relativamente grandes e visíveis a olho nu. With MESOMANUFACTURING no entanto, produzimos componentes para dispositivos em miniatura. A mesomanufatura também é chamada de MESOSCALE MANUFACTURING or MESO-MACHINING. A mesomanufatura se sobrepõe tanto à macro quanto à micromanufatura. Exemplos de mesofabricação são aparelhos auditivos, stents, motores muito pequenos.

 

 

 

A primeira abordagem na mesomanufatura é reduzir os processos de macromanufatura. Por exemplo, um pequeno torno com dimensões de algumas dezenas de milímetros e um motor de 1,5 W pesando 100 gramas é um bom exemplo de mesomanufatura onde o downscaling ocorreu. A segunda abordagem é aumentar os processos de micromanufatura. Como exemplo, os processos LIGA podem ser ampliados e entrar no domínio da mesomanufatura.

 

 

 

Nossos processos de mesomanufatura estão preenchendo a lacuna entre os processos MEMS baseados em silício e a usinagem convencional em miniatura. Os processos de mesoescala podem fabricar peças bidimensionais e tridimensionais com características de tamanho mícron em materiais tradicionais, como aços inoxidáveis, cerâmicas e vidro. Os processos de mesomanufatura que estão atualmente disponíveis para nós incluem pulverização por feixe de íons focado (FIB), microfresagem, microtorneamento, ablação a laser excimer, ablação a laser de femto-segundo e usinagem de micro eletro-descarga (EDM). Esses processos de mesoescala empregam tecnologias de usinagem subtrativas (ou seja, remoção de material), enquanto o processo LIGA é um processo aditivo de mesoescala. Os processos de mesomanufatura possuem diferentes capacidades e especificações de desempenho. As especificações de desempenho de usinagem de interesse incluem tamanho mínimo do recurso, tolerância do recurso, precisão da localização do recurso, acabamento da superfície e taxa de remoção de material (MRR). Temos a capacidade de mesofabricar componentes eletromecânicos que requerem peças de mesoescala. As peças de mesoescala fabricadas por processos de mesomanufatura subtrativos têm propriedades tribológicas únicas devido à variedade de materiais e às condições de superfície produzidas pelos diferentes processos de mesomanufatura. Essas tecnologias de usinagem subtrativa de mesoescala nos trazem preocupações relacionadas à limpeza, montagem e tribologia. A limpeza é vital na mesomanufatura porque a sujeira de mesoescala e o tamanho das partículas de detritos criados durante o processo de mesousinagem podem ser comparáveis aos recursos de mesoescala. Fresamento e torneamento de mesoescala podem criar cavacos e rebarbas que podem bloquear furos. A morfologia da superfície e as condições de acabamento da superfície variam muito dependendo do método de mesofabricação. As peças de mesoescala são difíceis de manusear e alinhar, o que torna a montagem um desafio que a maioria de nossos concorrentes não consegue superar. Nossas taxas de rendimento na mesomanufatura são muito superiores aos nossos concorrentes, o que nos dá a vantagem de poder oferecer melhores preços.

 

 

 

PROCESSOS DE USINAGEM DE MESOESCALA: Nossas principais técnicas de mesomanufatura são Feixe de Íons Focados (FIB), Microfresamento e Microtorneamento, meso-usinagem a laser, Micro-EDM (usinagem por eletro-descarga)

 

 

 

Mesomanufatura usando feixe de íons focado (FIB), microfresamento e microtorneamento: O FIB pulveriza o material de uma peça de trabalho por bombardeamento de feixe de íons de gálio. A peça de trabalho é montada em um conjunto de estágios de precisão e é colocada em uma câmara de vácuo sob a fonte de gálio. Os estágios de translação e rotação na câmara de vácuo disponibilizam vários locais na peça de trabalho para o feixe de íons de gálio para a mesofabricação de FIB. Um campo elétrico ajustável varre o feixe para cobrir uma área projetada pré-definida. Um potencial de alta tensão faz com que uma fonte de íons de gálio acelere e colida com a peça de trabalho. As colisões retiram os átomos da peça de trabalho. O resultado do processo de meso-usinagem FIB pode ser a criação de facetas quase verticais. Alguns FIBs disponíveis para nós têm diâmetros de feixe tão pequenos quanto 5 nanômetros, tornando o FIB uma máquina capaz de mesoescala e até microescala. Montamos ferramentas de microfresagem em fresadoras de alta precisão para usinar canais em alumínio. Usando FIB, podemos fabricar ferramentas de microtorneamento que podem ser usadas em um torno para fabricar hastes com rosca fina. Em outras palavras, o FIB pode ser usado para usinar ferramentas duras, além de meso-usinar diretamente na peça final. A baixa taxa de remoção de material tornou o FIB impraticável para usinagem direta de grandes recursos. As ferramentas duras, no entanto, podem remover material a uma taxa impressionante e são duráveis o suficiente para várias horas de usinagem. No entanto, o FIB é prático para meso-usinagem direta de formas tridimensionais complexas que não requerem uma taxa de remoção de material substancial. O comprimento de exposição e o ângulo de incidência podem afetar muito a geometria de recursos usinados diretamente.

 

 

 

Laser Mesomanufacturing: Excimer lasers são usados para mesomanufacturing. O excimer laser usina o material pulsando-o com pulsos de nanossegundos de luz ultravioleta. A peça de trabalho é montada em estágios de translação de precisão. Um controlador coordena o movimento da peça de trabalho em relação ao feixe de laser UV estacionário e coordena o disparo dos pulsos. Uma técnica de projeção de máscara pode ser usada para definir geometrias de meso-usinagem. A máscara é inserida na parte expandida do feixe onde a fluência do laser é muito baixa para remover a máscara. A geometria da máscara é reduzida através da lente e projetada na peça de trabalho. Essa abordagem pode ser usada para usinar vários furos (matrizes) simultaneamente. Nossos lasers excimer e YAG podem ser usados para usinar polímeros, cerâmicas, vidro e metais com tamanhos de recursos tão pequenos quanto 12 mícrons. O bom acoplamento entre o comprimento de onda UV (248 nm) e a peça de trabalho na mesomanufatura/meso-usinagem a laser resulta em paredes de canal verticais. Uma abordagem de meso-usinagem a laser mais limpa é usar um laser de femtosegundo de Ti-safira. Os detritos detectáveis de tais processos de mesomanufatura são partículas nanométricas. Características profundas de um mícron podem ser microfabricadas usando o laser de femtossegundos. O processo de ablação a laser de femtosegundo é único, pois quebra as ligações atômicas em vez do material de ablação térmica. O processo de meso-usinagem / microusinagem a laser de femtossegundos tem um lugar especial na mesomanufatura porque é mais limpo, capaz de mícrons e não é específico do material.

 

 

 

Mesofabricação usando Micro-EDM (usinagem por eletro-descarga): A usinagem por eletro-descarga remove o material através de um processo de erosão por faísca. Nossas máquinas de micro-EDM podem produzir recursos tão pequenos quanto 25 mícrons. Para a máquina de micro-EDM de chumbada e de fio, as duas principais considerações para determinar o tamanho do recurso são o tamanho do eletrodo e a folga do excesso. Estão sendo usados eletrodos com pouco mais de 10 mícrons de diâmetro e excesso de queima de apenas alguns mícrons. A criação de um eletrodo com geometria complexa para a máquina de eletroerosão por chumbada requer know-how. Tanto o grafite quanto o cobre são populares como materiais de eletrodo. Uma abordagem para fabricar um eletrodo EDM de chumbada complicado para uma peça de mesoescala é usar o processo LIGA. O cobre, como material do eletrodo, pode ser revestido em moldes LIGA. O eletrodo de cobre LIGA pode então ser montado na máquina de eletroerosão chumbada para mesofabricar uma peça em um material diferente, como aço inoxidável ou kovar.

 

 

 

Nenhum processo de mesomanufatura é suficiente para todas as operações. Alguns processos de mesoescala são mais abrangentes do que outros, mas cada processo tem seu nicho. Na maioria das vezes, precisamos de uma variedade de materiais para otimizar o desempenho dos componentes mecânicos e nos sentimos confortáveis com materiais tradicionais, como o aço inoxidável, porque esses materiais têm uma longa história e foram muito bem caracterizados ao longo dos anos. Os processos de mesomanufatura nos permitem utilizar materiais tradicionais. As tecnologias de usinagem de mesoescala subtrativas expandem nossa base de materiais. O desgaste pode ser um problema com algumas combinações de materiais na mesomanufatura. Cada processo de usinagem de mesoescala em particular afeta exclusivamente a rugosidade e a morfologia da superfície. O microfresamento e o microtorneamento podem gerar rebarbas e partículas que podem causar problemas mecânicos. Micro-EDM pode deixar uma camada de refundição que pode ter características particulares de desgaste e fricção. Efeitos de atrito entre peças de mesoescala podem ter pontos de contato limitados e não são modelados com precisão por modelos de contato de superfície. Algumas tecnologias de usinagem de mesoescala, como micro-EDM, são bastante maduras, ao contrário de outras, como meso-usinagem a laser de femtosegundo, que ainda requerem desenvolvimento adicional.