Malý, vysoce přesný a citlivý - výzva v každé dimenzi

Ultrazvukové přesné čištění součástí v čistírně s čistotou vzduchu třídy ISO 1.

Od náhrady konvenčních procesů sítotisku přes generativně vyráběné komponenty až po aplikace v biomedicínském oboru – možnosti použití digitálních tiskových technologií jsou téměř neomezené.

Pro kontaminace- a poškození- bezplatnou individuální separaci, třídění a dopravu citlivých mikročástic menších než 500 mikrometrů využívá Fraunhofer IPA povrchové efekty v kapalinách. Části určené ke zpracování jsou cíleně nanášeny z sběrného zásobníku na povrch procesní kapaliny nastavený podle hladiny v kapalinovém rezervoáru. Gravitace pohybuje plovoucími díly směrem k okraji kapaliny proti zde umístěné vyměnitelné dorazové hraně, kde se díly řadí.

IPA.FluidSorting – Čistění a podávání mikrotechnických součástek na základě tekutin.

Satelit čištění CO₂

Dr.-Ing. Udo Gommel

První počítače osobní počítače, které se objevily na trhu začátkem 80. let, byly objemné kufry, které nabízely jen minimální komfort. Dnes každé chytré hodinky na zápěstí nabízí mnohonásobně více než tito dinosauři. Zmenšování dosáhlo rozměrů, o nichž si ještě před deseti lety nikdo nemohl nechat zdát. Transistor na integrovaném obvodu je menší než jakákoli bakterie, senzory měří jen milimetry a pro pohled na některé šroubky je třeba lupy. Existují kardiostimulátory velikosti tablety a jednorázové laboratoře pro krevní analýzu včetně čerpadel, ventilů a kanálů, které se vejdou na čip ze křemíku. Malé pico-satelity vypouštěné do vesmíru váží sotva více než kus másla.

Vášeň pro malé a nejmenší se objevuje zejména v elektronice a mikrosystémové technice. »Miniaturizace klade nejvyšší nároky na výrobu a vyžaduje zcela nové přístupy«, říká Dr. Udo Gommel, který do února 2016 vedl toto odvětví. Především: musí být extrémně čisté prostředí. Pokud již jeden prachový zrnek může vést k úplnému selhání součástky nebo dokonce celého zařízení, je čistota nejvyšší povinností. Také zpracování a montáž při tomto stupni miniaturizace vyžadují nové technologie. Například: malé a citlivé součástky lze s běžnými nástroji a metodami jen omezeně manipulovat. Navíc například nanášení lepidel v procesu lepení musí být provedeno s nejvyšší přesností. Zaměstnanci z odvětví »Elektronika a mikrosystémová technika« čelí výzvám spojeným s výrobou takových produktů. Přispívají tak významně k řešení výrobních otázek průmyslu. Přicházejí také s vlastním nebo ve spolupráci s partnery vyvinutým přístupem k výrobě, například kompaktní radarový skener realizovaný v rámci Fraunhofer-Verbund, který proniká optickými překážkami a jasně vidí i za prachu, kouře, mlhy nebo deštěm.

Největší výzkumný čistý prostor na světě

Podmínkou pro výrobu jemných struktur nebo zpracování nejmenších součástek je prostředí kontrolované z hlediska čistoty, tedy většinou čistý prostor. Pro výzkum a hodnocení závislostí kontaminačního chování výrobních zařízení a dosažitelné kvality vyráběných produktů má Fraunhofer IPA k dispozici vedle řady analytických systémů největší výzkumný čistý prostor na světě třídy ISO 1 s laminárním prouděním. Má přibližně 150 metrů čtverečních základní plochy při výšce místnosti přes 6 metrů. Díky své konstrukci pro těžké zatížení lze zde nejen zkoumat velmi malé finální produkty, ale i ve spojení s tím větší a těžší výrobní zařízení či systémy s celkovou hmotností až téměř 40 tun. Jeden krychlový metr vzduchu obsahuje nejvýše 10 částic velikosti 0,1 mikrometru, zatímco běžný městský vzduch obsahuje 10¹³ částic. Navíc má institut vyspělé přístroje, jako jsou rastrovací elektronové mikroskopy, mikro-CT nebo hmotnostní spektrometry, které umožňují měřit znečištění součástek a hodnotit účinnost různých čisticích metod. Není proto divu, že odborníci ze Stuttgartu sedí v důležitých komisích, které jsou odpovědné za standardizaci metod čištění a čištění.

Průmyslové svazy »Cleanroom Suitable Consumables« (CSC) a »MediClean«

Jak je toto téma důležité pro průmysl, ukazuje založení dvou nových iniciativ, které iniciovalo IPA. V rámci průmyslového svazu »Cleanroom Suitable Consumables« (CSC) jde o spotřební materiál, který se denně používá v čistém prostředí, tedy o kombinézy, rukavice, roušky, utěrky a podobně. Motivace: nejlepší čistý prostor je k ničemu, pokud je neustále kontaminován znečištěním, které se uvolňuje z spotřebního materiálu při jeho správném použití. Dosud chybí spolehlivé pravidla nebo alespoň srovnatelné měření, a tak často dochází k překračování výrobkových limitů čistoty. »Snažíme se přinést jasno do této problematiky«, říká odpovědný expert IPA Frank Bürgen. Do této iniciativy se zapojují firmy ze všech odvětví, které jsou závislé na kontrolovaných čistých prostředích, především z farmacie, elektroniky a kosmického průmyslu. Výsledný soubor pravidel má být později zaveden jako mezinárodní norma. Druhý průmyslový svaz sleduje podobné cíle v oblasti medicíny. »MediClean« se stará o čistotu zdravotnických výrobků, například implantátů nebo injekčních jehel. Již během výrobního procesu, ale i v nemocnicích a lékařských ordinacích je čistota a hygiena životně důležitá, protože biologická kontaminace (například bakterie) může vést k zánětům nebo odmítnutí zdravotnického implantátu. Dosud však neexistují závazné normy, jak má správná výroba a čištění vypadat. To může opakovaně způsobovat komplikace. Pojišťovny odhadují ekonomickou škodu, která v Německu vzniká kvůli odmítání nečistých implantátů, na přibližně 7 miliard eur ročně. Tento průmyslový svaz vedený IPA má nyní přispět k nápravě. Ale i na technologické úrovni přispívá Fraunhofer IPA prostřednictvím svých kompetencí ve svém odvětví k možnému průmyslovému zavedení high-tech produktů. Například pokud je třeba vyčistit součástku citlivou na kontaminaci – žádný problém. IPA disponuje hlavními čisticími metodami, ať už plazmou, ultrazvukem nebo oxidem uhličitým, mokrými či suchými.

Čištění oxidem uhličitým (CO2)

Výjimečné znalosti má IPA v oblasti čištění oxidem uhličitým, které je nenahraditelné pro vysoce citlivé díly. Expertízy ze Stuttgartu vyvíjejí metodu čištění fólií a skleněných substrátů, například těch, které se používají v mnoha chytrých telefonech, během výroby na rolích. Pomocí patentované dvousložkové trysky jsou povrchy, které je třeba vyčistit, »postříkány« krystalickým CO2 sněhem. Díky variabilitě parametrů, jako je tlak paprsku, složení směsi, úhel paprsku, vzdálenost apod., lze optimalizovat účinnost čištění podle specifik povrchu. Za prvé: při pokojové teplotě dochází kvůli teplotnímu rozdílu mezi povrchem a CO2, který je téměř 100 Kelvinů, k rozpouštění filmových nečistot, například olejů nebo tuků. Tlakem paprsku se pak odstraňují popraskané, filmové nečistoty, které se takto odtrhávají a odnášejí. Navíc se CO2 sníh při dopadu na povrch sublimuje, tedy okamžitě přechází do plynného stavu. Doslova exploduje, přičemž se jeho objem zvětší až 800krát. Při tom se rozptýlené nečistoty nevyhnutelně oddělí, aniž by došlo k poškození citlivého substrátu. Aktuální aplikací v této oblasti je čištění komponentů určených pro konstrukci satelitů a kosmických sond, které probíhá v laboratořích IPA.

Čistota výrobních procesů

Kromě čištění jednotlivých součástek je čistota výrobních procesů klíčová pro kvalitu. Mikroprocesory a displeje jsou zvlášť citlivé díly, které téměř žádné kontaminace nesnesou. I jediný prachový zrnko může způsobit zkrat a zničit elektroniku. Kdo chce předejít nepříjemným překvapením, musí celou výrobní linku od začátku správně navrhnout, od designu a vybavení čistého prostoru přes používané nástroje a výběr materiálů až po oblečení personálu. Experti z IPA, například tým kolem Franka Bürgena, nabízejí odpovídající řešení. Při nejasnostech provádějí potřebné testy a mohou dokonce, pokud je to požadováno, školit zaměstnance.

Manipulace s nejmenšími díly

Speciální výzvou při výrobě mikroelektronických a mikrotechnických produktů, například chytrých telefonů, je manipulace s nejmenšími díly. Oddělit, uchopit, dopravit, upevnit, umístit – to vše nelze zvládnout stejně jako při výrobě nábytku. Potřebné jsou inovativní metody. Například tým kolem Dirka Schlenkera vyvinul metodu, jak oddělit mikroskopické součástky, které leží v neuspořádané hromadě, a dopravit je tam, kde jsou potřeba. Tradiční vibrátorové dopravníky narazí na technické hranice u součástek menších než půl milimetru. Protože »trpaslíci« díky své nízké hmotnosti jednoduše zůstávají na pásu. Tým proto musel úplně přehodnotit přístup. Inspirace přišla nakonec z přírody: vodní brouci umí chodit po vodní hladině díky povrchovému napětí. Malé šroubky, ozubená kolečka, kuličky, čipy nebo senzory jsou také dost lehké na to, aby nezapadly. V patentované metodě s názvem »IPA.Fluid-Sorting«, která byla úspěšně realizována v prototypu, plavou lehké součástky na vytvořené kapalinové ploše a díky gravitaci samy sklouznou ke krajní hraně kapalného filmu. Tam narazí na dorazovou hranu a řadí se jako korálky na niti. Po stažení kapaliny je lze pohodlně vzít. Tato metoda je vhodná pro všechny součástky menší než jeden až dva milimetry. Umožňuje téměř bez hranic třídit i prachové částice. »Čím menší, tím lepší«, říká Schlenker. Potřeba takových mikro-zařízení je zatím omezená, ale je zřejmé, že stále více malých dílů bude potřeba, ať už v medicíně, hodinářství nebo mikroelektronice.

Mikrodávkovací technika

Kromě manipulace je při sestavování nejmenších součástek třeba přicházet s novými nápady. Příklad lepení: každý zná nepříjemnost, když lepidlo po práci kapká, protože se tlak v tubě pomalu snižuje. U mikro-montáže nesmí takové věci nastat. Jeden jediný kapek může zničit celý produkt. Tým kolem Schlenkera se ve spolupráci s průmyslovým partnerem podařilo úspěšně uvést na trh ventil »IPA.VALVE«, vyvinutý v IPA. Uzávěr, který se snadno připojí k dnešním dávkovacím systémům, aby se zabránilo typickému kapání, umožňuje přesnější dávkování všech kapalin, nejen lepidel, ale i olejů nebo těsnících materiálů. Na poslední odborné výstavě pro výrobní a montážní automatizaci Motek byl tento ventil »hvězdou«; těší se velké oblibě. Je tak jednoduchý, že by se brzy mohl prodávat jako jednorázová součást za pár eur.

Chytrý výrobní nosič

Kromě dosaženého technologického pokroku přichází z IPA i inovativní výrobní řešení. Experti z IPA aktuálně pracují na továrně budoucnosti, která pod heslem »Průmysl 4.0« odstartuje novou éru výroby. Důležitým tématem pro toto odvětví jsou inteligentní komponenty. Myšlenka: jednotlivé stroje a výrobní prostředky už nejsou samostatní bojovníci, ale pracují v týmu. Komunikují mezi sebou a nacházejí tak sami optimální řešení. To výrazně zvyšuje flexibilitu a efektivitu továrny. Inženýři z IPA přispěli v rámci projektu »smartWT«, financovaného BMBF, dalším stavebním kamenem do sítě propojené výroby: inteligentním výrobním nosičem, který přenáší díly z jednoho stroje na druhý a zajišťuje jejich dodání v průběhu procesu. »smartWT« umožňuje nepřetržité sledování logistických a procesních dat a jejich bezdrátový přenos. Je vybaven miniaturizovanými moduly pro zpracování signálů, komunikaci a ukládání energie. Navíc je navržen tak, aby během přepravy mohl sám plnit různé úkoly, například umístit díl na správné místo. Úkolem IPA bylo integrovat jednotlivé funkční jednotky do výrobního nosiče a vyvinout možné scénáře použití.

Modulární montážní linka

V souvislosti s trendem k inteligentním systémům je stále více potřeba výrobních řešení, která umožní efektivní výrobu přizpůsobenou konkrétnímu použití, například senzorů. U vysokých sérií, například při výrobě mobilních telefonů, se vyplatí investice do velkých zařízení. V oblasti senzorů musí být výroba odlišná, protože objemy jsou menší a variabilita velká. Obzvlášť riziková je raná fáze průmyslové realizace, kdy ještě nejsou procesy a jejich propojení definitivní. Společně s partnery vyvinulo IPA v rámci projektu »microTEC Südwest«, financovaného BMBF, řešení – modulární montážní linku »VolProd«. Umožňuje snadnou výměnu jednotlivých procesních modulů a jejich postupnou automatizaci a propojení podle potřeby. Jak to může vypadat, ukazuje demonstrační zařízení na IPA.

Digitální tiskové technologie

Kromě vývoje přeměnitelných a miniaturizovaných zařízení pro mikrosystémovou techniku pracují vědci z IPA na výrobních řešeních pro novou generaci produktů. Jde o inovativní řešení z oblasti 3D tisku. IPA se však nezaměřuje pouze na spolehlivé vrstvení jednotlivých vrstev, ale i na otázku přímo začleněných dílů do výrobního procesu. Společně s partnery byla vyvinuta inovativní procesní a systémová řešení, která jsou nyní k dispozici jako vývojová základna a pro demonstraci. Například montážní modul, který umožňuje vkládání mikroskopických LED do kapsy nosné fólie, jež tvoří část vícevrstvé osvětlovací fólie.

Seznam expertíz, které má IPA pro výrobu elektroniky a mikrosystémů, by šel ještě prodloužit, například o výzkumné oblasti jako galvanika, rozpoznávání obrazů, síťování senzorů nebo zpracování informací.

Martin Schleef od března 2016 vede odvětví »Elektronika a mikrosystémy«. Dr. Udo Gommel, který tuto funkci od té doby úspěšně zastává, je jeho zástupcem. Řídí oddělení »Čisté a mikro výroby«.

Dr.-Ing. Udo Gommel:
Vedoucí oddělení čisté a mikro výroby, zástupce vedoucího odvětví »Elektronika a mikrosystémy«