Was ist eine Mikrofabrikationsmaschine?
Mikrofabrikationsmaschinen sind Bearbeitungsmaschinen für die Mikropräzisionsbearbeitung im Mikrometerbereich.
Zu den Materialien, die Gegenstand der Mikrofertigung sind, gehören nicht nur Metalle, sondern auch Harze, Polymere und anorganische Materialien. In den letzten Jahren gibt es Schneidmaschinen, die eine Programmsteuerung in 10-nm-Schritten ermöglichen, wobei die Miniaturisierung täglich weiter voranschreitet.
Zu den Mikrofabrikationsmaschinen im weiteren Sinne gehören auch Funkenerosionsmaschinen, Drahterosionsmaschinen, Lehrenbohrer und Laserschneidmaschinen, und die Mikrofabrikation wird mit all diesen Maschinen durchgeführt. Beim Umgang mit diesen Mikrofabrikationsmaschinen sind auch die Temperaturkontrolle, z. B. die Raumtemperatur, und die Fähigkeiten des Bedieners von großer Bedeutung.
Anwendungen von Mikrofabrikationsmaschinen
Die Mikrofabrikationstechnik ist in den letzten Jahren in allen Industriebereichen erforderlich geworden und wird in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt.
In der Halbleiter- und Elektronikindustrie ist sie eine unverzichtbare Bearbeitungstechnologie für die Herstellung von Gehäuseformen und verschiedenen Bauteilen im Zuge der Miniaturisierung von Geräten, in der Medizintechnik für Bauteile mit Mikroflusswegen wie Biochips und Bauteile mit feinen Elektrodenstrukturen.
Mikrostrukturen, die mit herkömmlichen Schaftfräsern nicht bearbeitet werden können, wie z. B. wärmeabstrahlende Rippen mit mikroskopischer Teilung, Löcher mit einer Lochteilung im Mikrometerbereich und Projektionsarray-Strukturen mit einer Teilung im Submikrometerbereich, können so realisiert werden.
Funktionsweise von Mikrofabrikationsmaschinen
Im weitesten Sinne umfasst der Begriff Mikrofabrikationsmaschinen mehrere Maschinentypen, aber es gibt drei repräsentative Maschinentypen: Mikro-NC-Maschinen, Funkenerosionsmaschinen und Drahterosionsmaschinen, die jeweils ein anderes Prinzip haben.
1. Mikrofabrikationsmaschinen mit NC-Steuerung
Der grundlegende Aufbau und die Prinzipien entsprechen weitgehend denen herkömmlicher NC-Bearbeitungszentren, jedoch werden alle Aspekte der Maschine, einschließlich der Antriebsmethode für jede Achse, der Kühlmitteltemperaturregelung und der Drehzahlregelung, hochpräzise gesteuert.
Für den Antrieb jeder Achse werden Linearmotoren verwendet, und einige Produkte haben eine programmierte Auflösung von 0,1 nm. Für die Führungen, die die Hin- und Herbewegung steuern, wird eine hydrostatische Führung verwendet, die einen unendlich geringen Reibungswiderstand und eine hohe Bewegungsgenauigkeit ermöglicht.
Das Kühlmittel, das die bei der Bearbeitung entstehende Wärme abführt, wird auf 1/100 °C temperiert, und um die verschiedenen von außen übertragenen Schwingungen zu blockieren, werden vom Gebäudefundament aus schwingungsdämpfende Maßnahmen ergriffen oder die Geräte werden auf einem Schwingungsisolierungssystem installiert. Außerdem ist das Kühlmittel in einem Raum mit konstanter Temperatur installiert, um eine thermische Ausdehnung der Ausrüstung zu verhindern.
2. Funkenerosions Bearbeitungszentren
Die Mikrofabrikation von leitfähigen Werkstoffen erfolgt mit Hilfe einer Funkenerosionsmaschine, bei der eine Anode an der Materialseite und eine Kathode an der beweglichen Elektrode angebracht ist. Diese Technologie der Bearbeitung mit Gleichstrom wird für Werkstoffe und Formen eingesetzt, die beim Schneiden und Schleifen anfällig für Bearbeitungsspannen sind, und ermöglicht es, durch wiederholte Bearbeitung eine höhere Präzision und eine größere Oberflächenrauheit zu erzielen.
3. Drahterodiermaschinen
Das Grundprinzip ist dasselbe wie bei der Funkenerosion, jedoch wird eine Kathode mit einem ultrafeinen Draht von etwa 0,05-0,3 mm verbunden und ein Gleichstrom zwischen dem Draht und dem Material angelegt, wodurch das Material geschnitten werden kann. Die Bearbeitung erfolgt in Wasser mit kontrollierter Leitfähigkeit, und der Draht wird während der Bearbeitung ständig zugeführt. Das berührungslose Schneiden erfolgt Schlag für Schlag und erzeugt keine Bearbeitungsspannung. Der Draht kann mit einer Schnitttiefe von 20 bis 30 Mikrometern über der Drahtdicke geschnitten werden.
Weitere Informationen zu Mikrofabrikationsmaschinen
Maschinen, die in Verbindung mit Mikrofabrikationsmaschinen eingesetzt werden, erfordern ein hohes Maß an Präzision und Stabilität. Um die Mikrobearbeitung bewältigen zu können, muss die Maschine selbst hochpräzise sein und die Bearbeitungsbedingungen müssen entsprechend eingestellt werden. Es ist notwendig, die Eigenschaften der einzelnen Maschinen zu kennen und die am besten geeignete Maschine auszuwählen.
Im Folgenden werden drei typische Maschinentypen vorgestellt, die in Verbindung mit Mikrofabrikationsmaschinen eingesetzt werden: Laserschneidmaschinen, Elektronenstrahlmaschinen und Ionenstrahlmaschinen.
1. Laserschneidmaschinen
Laserschneidmaschinen schneiden und bearbeiten Materialien durch die Bestrahlung mit hochenergetischen Laserstrahlen. Sie eignen sich für die Mikrofabrikation und können für eine breite Palette von metallischen und nichtmetallischen Werkstoffen eingesetzt werden. Sie sind außerdem hochpräzise und können für die Mikrofabrikation eingesetzt werden.
2. Elektronenstrahlmaschinen
Elektronenstrahlmaschinen schneiden und bearbeiten Werkstoffe durch Bestrahlung mit einem erhitzten Elektronenstrahl bei hoher Geschwindigkeit. Sie sind für die Feinbearbeitung geeignet und werden in Bereichen eingesetzt, in denen eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit erforderlich ist.
3. Ionenstrahlmaschinen
Ionenstrahlmaschinen können durch die Bestrahlung mit Ionenstrahlen eine Feinbearbeitung und Oberflächenmodifikation von Materialoberflächen vornehmen. Sie eignen sich besonders für harte Materialien wie Keramik und Glas.