Pequeño, de alta precisión y sensible: un desafío en cada dimensión

Limpieza ultrasónica de precisión de componentes en una sala limpia de clase ISO 1.

Desde procesos tradicionales de serigrafía hasta componentes fabricados de manera generativa y aplicaciones en el campo biomédico, las posibilidades de uso de las tecnologías de impresión digital son casi ilimitadas.

Para la separación, clasificación y alimentación sin contaminación ni daños de microcomponentes sensibles de menos de 500 micrómetros, el Fraunhofer IPA utiliza efectos de superficie en líquidos. Las piezas a procesar se colocan de manera selectiva desde un recipiente de recogida sobre la superficie del líquido de proceso, ajustada según el nivel del líquido en el depósito. La gravedad mueve las piezas flotantes hacia el borde del líquido, contra un tope intercambiable colocado allí, donde las piezas se alinean.

IPA.FluidSorting – Separación y alimentación de componentes microtécnicos basada en líquidos.

Satélite de limpieza de CO2

Dr. Ing. Udo Gommel

Los primeros PCs, que salieron al mercado a principios de los años 80, eran maletas voluminosas que apenas ofrecían comodidad. Hoy en día, cada reloj inteligente en la muñeca realiza varias veces esa capacidad de estos dinosaurios. La miniaturización ha alcanzado un nivel que hace una década nadie habría podido imaginar. Un transistor en un circuito integrado es más pequeño que cualquier bacteria, los sensores miden solo milímetros y para observar algunos pequeños detalles se necesita una lupa. Existen marcapasos del tamaño de una pastilla y laboratorios desechables para análisis de sangre con bombas, válvulas y canales que caben en un chip de silicio. Pequeños satélites pico, lanzados al espacio, apenas pesan más que una barra de mantequilla.

La tendencia hacia lo pequeño y lo más pequeño se encuentra especialmente en la electrónica y la microtecnología de sistemas. »La miniaturización impone requisitos muy altos a la producción y en algunos casos requiere enfoques completamente nuevos«, explica el Dr. Udo Gommel, quien dirigió el campo de negocio hasta febrero de 2016. Sobre todo: debe ser extremadamente limpio. Si una mota de polvo puede causar la falla total de un componente o incluso de todo un dispositivo, la pureza es una obligación máxima. Además, el procesamiento y montaje con este grado de miniaturización requiere nuevas tecnologías. Por ejemplo, los componentes diminutos y sensibles solo se pueden manejar de manera limitada con las herramientas y métodos habituales. Además, la aplicación de adhesivos en el proceso de ensamblaje debe realizarse con la máxima precisión. Los empleados del campo de negocio »Electrónica y Microtecnología de Sistemas« enfrentan los desafíos asociados con la fabricación de estos productos. Con ello, contribuyen significativamente a resolver las cuestiones tecnológicas de producción en la industria. Además, desarrollan enfoques de productos propios o en colaboración con socios, como un escáner de radar compacto realizado en la red Fraunhofer, que atraviesa obstáculos ópticos y también ve claramente en polvo, humo, niebla o lluvia.

El mayor centro de investigación en salas limpias del mundo

Para fabricar estructuras extremadamente finas o procesar componentes muy pequeños, se requiere un entorno controlado en términos de pureza, generalmente una sala limpia. Para investigar y evaluar las dependencias del comportamiento de contaminación de los equipos de producción y la calidad de los productos fabricados, el Fraunhofer IPA dispone, además de una variedad de sistemas de análisis, de la sala limpia de investigación más grande del mundo de clase ISO 1, con flujo laminar de desplazamiento. Tiene aproximadamente 150 metros cuadrados de superficie y una altura de más de 6 metros. Gracias a su diseño para cargas pesadas, no solo se pueden investigar y optimizar productos finales muy pequeños, sino también, en combinación, los equipos y sistemas de producción, que suelen ser muy grandes y pesados, con un peso total de hasta casi 40 toneladas. Un metro cúbico de su aire contiene como máximo 10 partículas de 0,1 micrómetros, en el aire urbano habitual hay 10¹³ partículas. Además, el instituto cuenta con equipos de última generación como microscopios electrónicos de barrido, microtomógrafos o espectrómetros de masas, que permiten medir la contaminación de los componentes y evaluar y comparar la eficacia de los diferentes procesos de limpieza. No es de extrañar que expertos de Stuttgart participen en los órganos importantes responsables de la estandarización de procedimientos de limpieza y pureza.

Asociaciones industriales »Consumibles adecuados para salas limpias« (CSC) y »MediClean«

La importancia del tema para la industria se refleja en la creación de dos nuevas iniciativas impulsadas por el IPA. La asociación industrial »Consumibles adecuados para salas limpias« (CSC) trata sobre materiales consumibles utilizados diariamente en salas limpias, como monos, guantes, mascarillas, paños y similares. La motivación: la mejor sala limpia es inútil si se contamina constantemente por las partículas que liberan los materiales consumibles durante su uso adecuado. Hasta ahora, faltan reglas confiables o incluso mediciones comparativas, por lo que a menudo se superan los límites de limpieza específicos del producto. »Intentamos arrojar luz en la oscuridad«, dice el experto del IPA Frank Bürgen. Participan empresas de todos los sectores que dependen de entornos controlados en cuanto a limpieza, especialmente de la farmacéutica, la electrónica y la aeroespacial. La normativa que se establezca posteriormente será adoptada como norma internacional. La segunda asociación industrial persigue objetivos similares en el campo de la medicina. »MediClean« se ocupa de la limpieza de productos médico-tecnológicos, como implantes o agujas de inyección. La limpieza y la higiene son vitales desde el proceso de fabricación hasta los hospitales y consultorios, ya que las biocontaminaciones (por ejemplo, gérmenes) pueden causar infecciones o rechazo de implantes médicos. Pero hasta ahora no existen normas vinculantes sobre cómo debe ser una fabricación limpia o una limpieza efectiva. Esto puede ocasionar complicaciones recurrentes. Las aseguradoras de salud estiman que el daño económico causado solo en Alemania por reacciones de rechazo a implantes contaminados asciende a aproximadamente 7 mil millones de euros anuales. La asociación industrial, liderada por el IPA, busca ahora ofrecer soluciones. Pero también en el nivel tecnológico, el Fraunhofer IPA contribuye con sus competencias agrupadas en el campo de negocio para la posible implementación industrial de productos de alta tecnología. Por ejemplo, si un componente sensible a la contaminación debe ser limpiado, no hay problema. El IPA dispone de los principales procedimientos de limpieza, ya sea plasma, ultrasonido o dióxido de carbono, en modo húmedo o seco.

Limpieza con CO2

El IPA tiene una experiencia especial en la limpieza con CO2, que resulta insuperable para piezas altamente sensibles. Los expertos de Stuttgart desarrollan un método para limpiar películas y sustratos de vidrio, utilizados en muchos teléfonos inteligentes, durante la fabricación de rollo a rollo. Mediante una boquilla de doble componente patentada, las superficies a limpiar son »rociadas« con nieve de CO2 cristalino. Variando parámetros como la presión del chorro, la mezcla de doble componente, el ángulo de incidencia, la distancia, etc., se pueden lograr eficiencias de limpieza optimizadas según las características específicas de la superficie a limpiar. Por un lado, a temperatura ambiente, debido a la diferencia de temperatura de casi 100 Kelvin entre la superficie y el CO2, se produce una dispersión de contaminantes en forma de película, como aceites o grasas. La presión del chorro desprende y elimina esas contaminaciones en forma de película, transportándolas inmediatamente. Además, la nieve de CO2 sublima al impactar en la superficie, pasando instantáneamente a estado gaseoso. Explota prácticamente, expandiendo su volumen en un factor de 800. Así, las partículas de suciedad dispersas se desprenden inevitablemente sin dañar el sustrato sensible. Un ejemplo reciente en esta área es la limpieza de componentes para satélites y sondas espaciales en los laboratorios del IPA.

Pureza en los procesos de fabricación

Además de limpiar componentes individuales, la pureza en los procesos de fabricación es decisiva para la calidad. Los microchips y pantallas son partes especialmente sensibles que prácticamente no toleran contaminación. Una sola partícula de polvo puede causar un cortocircuito y arruinar la electrónica. Quien quiera evitar sorpresas desagradables, debe diseñar toda su línea de producción desde el principio en consecuencia, desde el diseño y equipamiento de salas limpias, hasta las herramientas y la selección de materiales, así como la vestimenta del personal. Los expertos del IPA, como el equipo de Frank Bürgen, ofrecen soluciones adecuadas. En caso de dudas, realizan las pruebas necesarias e incluso pueden capacitar al personal si así se desea.

Manejo de piezas diminutas

Un desafío particular en la producción de productos microelectrónicos y micromecánicos, como los teléfonos inteligentes, es el manejo de piezas diminutas. Separarlas, agarrarlas, alimentarlas, fijarlas, posicionarlas: todo esto no se puede hacer como en la fabricación de muebles. Se necesitan métodos innovadores. Por ejemplo, el grupo de trabajo de Dirk Schlenker ha desarrollado una metodología para separar y transportar componentes microscópicos que yacen en un montón desordenado hasta el lugar donde se necesitan. Los transportadores vibratorios convencionales alcanzan sus límites técnicos con componentes menores a medio milímetro, ya que los »enanos« simplemente permanecen en la cinta por su peso reducido. Por eso, el equipo de investigadores tuvo que replantearse completamente. La inspiración vino de la naturaleza: los zapateros de agua pueden caminar sobre el agua aprovechando su tensión superficial. También, tornillos, engranajes, bolas, chips o sensores diminutos son lo suficientemente ligeros para no hundirse. En el método patentado »IPA.Fluid-Sorting«, que se implementó con éxito en un prototipo, las piezas ligeras flotan sobre una superficie líquida generada y se deslizan gracias a la gravedad hacia el borde del film de líquido. Allí, chocan contra un tope y se alinean como perlas en un collar. Así, después de retirar el líquido, se pueden recoger fácilmente. El método es apto para todas las piezas menores a uno o dos milímetros. La mayoría de las veces, casi sin límite inferior: »En principio, incluso podemos clasificar partículas de polvo. Cuanto más pequeñas, mejor«, dice Schlenker. Aunque la demanda de estos sistemas de clasificación micro es todavía limitada, se prevé que cada vez se necesitarán más piezas miniatura, ya sea en tecnología médica, en la industria relojera o en la microelectrónica.

Tecnología de microdosificación

Además del manejo, la ensambladura de las piezas más pequeñas requiere nuevas ideas. Por ejemplo, el pegado: todos conocen el problema de que el adhesivo gotea después del trabajo, porque la presión en el tubo se libera lentamente. En la micromontaje, esto no puede ocurrir. Una sola gota puede arruinar un producto completo. El equipo de Schlenker logró, en colaboración con un socio industrial, colocar con éxito en el mercado la »IPA.VALVE«, desarrollada en el IPA. Con la válvula de cierre, que puede conectarse fácilmente a los sistemas de dosificación actuales para evitar el goteo típico, se puede dosificar de manera más confiable todo tipo de líquidos, como adhesivos, aceites o selladores. En la última feria especializada en automatización de producción y montaje, Motek, »la válvula fue la estrella«, comenta Schlenker. Es tan sencilla que pronto estará disponible como componente desechable por unos pocos euros.

Transportador de piezas inteligente

Además de los avances tecnológicos logrados, el IPA también aporta soluciones innovadoras de producción. Actualmente, los expertos del IPA trabajan en la fábrica del futuro, que bajo el lema »Industria 4.0« marcará una nueva era en la producción. Un tema relevante para el campo de negocio son los componentes inteligentes. La idea: las máquinas y medios de producción ya no son competidores individuales, sino que trabajan en equipo. Se comunican entre sí y encuentran la solución óptima por sí mismas. Esto aumenta significativamente la flexibilidad y eficiencia de una fábrica. Los ingenieros del IPA, en el marco del proyecto en red »smartWT«, financiado por el BMBF, han aportado un componente adicional a la fábrica conectada: un transportador de piezas inteligente que transporta componentes de una máquina a otra y los proporciona en el proceso. El »smartWT« permite recopilar continuamente datos logísticos y de proceso y transmitirlos de forma inalámbrica. Está equipado con módulos miniaturizados para procesamiento de señales, comunicación y almacenamiento de energía. Además, está diseñado para realizar tareas automáticamente durante el transporte, como posicionar una pieza. La tarea del IPA fue integrar las diferentes unidades funcionales en el transportador de piezas y desarrollar posibles escenarios de aplicación.

La línea de montaje modular

Relacionada con la tendencia hacia sistemas inteligentes, cada vez se necesitan más soluciones de producción que permitan fabricar productos adaptados a la aplicación, como sensores, de manera rentable. Así, para grandes volúmenes, como en la producción de teléfonos móviles, la inversión en grandes instalaciones vale la pena. En el área de sensores, la producción debe ser diferente, ya que los volúmenes son menores y la variedad de variantes es grande. La fase inicial de la implementación industrial es especialmente arriesgada, ya que en ocasiones los procesos y su encadenamiento aún no están completamente definidos. En colaboración con socios, el IPA desarrolló una solución en el marco del proyecto en red »microTEC Südwest«, financiado por el BMBF: la línea de montaje modular »VolProd«. Permite el intercambio sencillo de módulos de proceso individuales y, según sea necesario, su automatización y conexión progresiva. Un demostrador en el IPA muestra cómo puede ser esto.

Técnica de impresión digital

Además del desarrollo de sistemas miniaturizados y modulares para la microtecnología, los investigadores del IPA trabajan en soluciones de producción para una nueva generación de productos. Se refieren a las soluciones innovadoras de impresión 3D que se comunican en muchos lugares. Sin embargo, en el IPA no solo se centra en el desafío de construir capas individuales de manera confiable, sino también en la cuestión de producción: la integración directa de componentes en el proceso de fabricación. En colaboración con socios, se han desarrollado soluciones de proceso y sistemas innovadores, que ahora están disponibles como base de desarrollo y para demostraciones. Por ejemplo, un módulo de ensamblaje que permite insertar diminutas LEDs en un bolsillo de una lámina portadora, que forma parte de una lámina de iluminación multicapa.

La lista de especialidades del IPA en la producción de electrónica y microtecnología podría ampliarse aún más, incluyendo áreas de investigación como galvanoplastia, reconocimiento de imágenes, redes de sensores o procesamiento de información.

Martin Schleef ha dirigido desde marzo de 2016 el campo de negocio »Electrónica y Microtecnología«. El Dr. Udo Gommel, quien ha ocupado con éxito esa función desde entonces, es su adjunto. Dirige el departamento »Reproducción limpia y microproducción«.

Dr.-Ing. Udo Gommel:
Jefe del departamento de Reproducción limpia y microproducción, subdirector del campo de negocio »Electrónica y Microtecnología«