Apró, rendkívül pontos és érzékeny – kihívás minden dimenzióban

Ultrahangos precíziós alkatrész tisztítás egy ISO 1 légtisztasági osztályú tisztatérben.

A hagyományos szitanyomási folyamatok helyettesítésétől a generatívan gyártott alkatrészekig, valamint a biomedicinális alkalmazásokig – a digitális nyomtatási technológiák alkalmazási lehetőségei szinte korlátlanok.

A szennyeződés- és sérülésmentes egyedülállóság, válogatás és érzékeny mikroalkatrészek, amelyek mérete kisebb, mint 500 mikrométer, a Fraunhofer IPA felületi hatásokat alkalmaz folyadékokban. A feldolgozandó alkatrészeket egy gyűjtőtartályból céltudatosan a folyadékraktár szintje szerint beállított folyadékfelületre viszik fel. A gravitáció az úszó alkatrészeket a folyadék széléhez mozgatja, ahol egy cserélhető ütőél található, és ahol az alkatrészek egymás mellé rendeződnek.

IPA.FluidSorting – folyadékalapú egyedi szétválasztás és mikrotechnikai alkatrészek adagolása.

CO2-eltávolító műhold

Dr.-Ing. Udo Gommel

A 1980-as évek elején piacra kerülő első személyi számítógépek nehézkes, doboz alakú készülékek voltak, amelyek alig nyújtottak kényelmet. Ma minden okosóra a csuklón sokszoros teljesítményt nyújt ezekhez képest. A miniatürizálás olyan mértéket ért el, amit még egy évtizeddel ezelőtt senki sem mert volna elképzelni. Egy integrált áramkörön lévő tranzisztor kisebb, mint bármely baktérium, a szenzorok csupán milliméteresek, és néhány szőrszálra is nagyító szükséges. Szívritmus-szabályozók mérete akár egy tabletta, és az egyszer használatos laboratóriumok véranalízishez pumpákkal, szelepekkel és csatornákkal, amelyek egy szilíciumchipen férnek el. Apró Pico műholdak, amelyeket az űrbe lőnek ki, alig nyomnak többet, mint egy vajdarab.

A kicsi és a legkisebb iránti hajlam különösen az elektronikában és a mikrorendszerek technológiájában mutatkozik meg. „A miniatürizálás a legmagasabb követelményeket támasztja a gyártással szemben, és részben teljesen új megközelítéseket is igényel” – mondja Dr. Udo Gommel, aki 2016 februárjáig vezette az üzleti területet. Elsősorban: rendkívül tisztának kell lennie a folyamatnak. Ha már egy porszem is a teljes alkatrész vagy akár egy egész készülék meghibásodásához vezethet, a tisztaság elsőrendű kötelesség. Az ilyen miniatürizálási szintű feldolgozás és összeszerelés új technológiákat tesz szükségessé. Például a rendkívül apró és érzékeny alkatrészek a szokásos eszközökkel és módszerekkel csak korlátozottan kezelhetők. Emellett például a ragasztószerek felvitele a ragasztási folyamat során rendkívüli precizitást igényel. Az „Elektronika és mikrorendszerek” üzleti terület munkatársai szembenéznek az ilyen termékek gyártásával járó kihívásokkal, és jelentős hozzájárulást nyújtanak az ipar termeléstechnikai kérdéseinek megoldásához. Emellett saját vagy partneri együttműködésben kifejlesztett termékötletek is születtek, például a Fraunhofer csoport által megvalósított kompakt radarszkenner, amely átlépi az optikai akadályokat, és még por, füst, köd vagy eső esetén is tisztán lát.

Világszerte legnagyobb kutatási tisztatér

Az apró struktúrák vagy a legkisebb alkatrészek gyártásához szükséges a tisztaság szempontjából kontrollált környezet, általában egy tisztatér. A gyártási berendezések szennyeződésviselkedésének vizsgálatához és a gyártott termékek minőségességének értékeléséhez a Fraunhofer IPA rendelkezik a világ legnagyobb, ISO 1 osztályú kutatási tisztatérrel, laminaris áramlással. Ez körülbelül 150 négyzetméter alapterületen helyezkedik el, több mint 6 méteres belmagassággal. Súlyterhelésre is alkalmas kialakításának köszönhetően nemcsak nagyon apró végtermékeket, hanem a legtöbbször nagy és nehéz gyártóberendezéseket, rendszereket is vizsgálni és optimalizálni lehet, össztömegük akár 40 tonna is lehet. Egy köbméter levegője legfeljebb 10 részecskét tartalmaz 0,1 mikrométeres méretben, míg a városi levegőben ez a szám 10^13 részecske. A kutatóintézet korszerű eszközökkel rendelkezik, mint például rácsos elektronmikroszkópok, mikro-CT-k vagy tömegspektrométerek, amelyek lehetővé teszik a szennyeződések mérését, valamint a különböző tisztítási eljárások hatékonyságának értékelését és összehasonlítását. Nem csoda, hogy a stuttgarti szakértők részt vesznek a tisztasági és tisztítási eljárások szabványosításáért felelős fontos testületek munkájában.

Iparági szövetségek »Cleanroom Suitable Consumables« (CSC) és »MediClean«

Az ipar számára ilyen fontos téma, hogy két új kezdeményezést indítottak a Fraunhofer IPA által. A „Cleanroom Suitable Consumables” (CSC) ipari szövetség például a tisztatérben naponta használt fogyóanyagokra, így overálokra, kesztyűkre, szájmaszkokra, törlőruhákról és hasonló termékekre összpontosít. A motiváció: a legjobb tisztatér is haszontalan, ha a fogyóanyagok által a rendeltetésszerű használat során kibocsátott szennyeződések miatt folyamatosan újra szennyeződik. Eddig nem álltak rendelkezésre megbízható szabályok vagy összehasonlítható mérések, így gyakran túllépik a termékspecifikus tisztasági határértékeket. „Próbálunk fényt deríteni a sötétségbe” – mondja Frank BÜRGER, az IPA szakértője. A szövetségben vállalatok vesznek részt minden iparágból, amelyek tisztaság-ellenőrzött környezetre vannak utalva, különösen a gyógyszeriparban, az elektronikában és az űrkutatásban. A végső szabályrendszer nemzetközi szabványként kívánják elfogadtatni. A másik ipari szövetség hasonló célokat követ az orvostudomány területén. „MediClean” a gyógyászati technológiák tisztaságával foglalkozik, például implantátumokkal vagy injekciós tűkkel. Már a gyártási folyamat során, de kórházakban és orvosi rendelőkben is a tisztaság és a higiénia életbevágó, mert a biológiai szennyeződések (például kórokozók) gyulladáshoz vagy az orvosi implantátum elutasításához vezethetnek. Eddig nem léteztek kötelező normák a tisztaságnak megfelelő gyártás vagy a hatékony tisztítás szempontjából. Ezért ismétlődő komplikációk fordulhatnak elő. A német társadalombiztosítások becslése szerint az országban évente mintegy 7 milliárd eurós gazdasági kárt okoznak az elutasítási reakciók a nem megfelelően tisztított implantátumok miatt. Az IPA által vezetett ipari szövetség most megoldást kíván nyújtani. Emellett a Fraunhofer IPA technológiai szinten is jelentős szerepet vállal a magas technológiai szintű termékek ipari megvalósításában, az összefogott kompetenciák révén. Például egy kontaminációérzékeny alkatrész tisztítása nem jelent problémát. Az IPA rendelkezik a legfontosabb tisztítási módszerekkel, legyen az plazma, ultrahang vagy szén-dioxid, nedves vagy száraz módszer.

CO2-tisztítás

Az IPA különösen a CO2-tisztításban rendelkezik kiemelkedő szakértelemmel, amely rendkívül érzékeny alkatrészek esetén verhetetlen. A stuttgarti szakértők olyan módszert fejlesztettek ki, amellyel filmrétegek és üvegalkatrészek, például sok okostelefonban alkalmazott felületek tisztíthatók a gyártás során, például a tekercsről tekercsre történő gyártás közben. Egy szabadalmaztatott kétkomponensű fúvókával a tisztítandó felületeket kristályos szén-dioxid hóréteggel „sugarazzák”. A paraméterek, például a sugárnyomás, a kétkomponensű keverék, a sugárszög, a távolság változtatásával optimalizálható a tisztítás hatékonysága az adott felületi jellemzők szerint. Egyrészt szobahőmérsékleten, a felület és a CO2 közötti kb. 100 Kelvin hőmérséklet-különbség miatt filmes szennyeződések, például olaj vagy zsírok oldódnak szét. A sugárnyomás hatására a filmes szennyeződések felrepednek, és így könnyen eltávolíthatók. Emellett a szén-dioxid hó a felülettel való találkozáskor azonnal szublimál, azaz szilárd halmazállapotból gázzá alakul. Ez robbanásszerűen történik, és a térfogata akár 800-szor megnő. Ekkor a szétterjedt szennyeződések szinte kivétel nélkül leválnak, anélkül, hogy az érzékeny felületet károsítanák. Egy aktuális alkalmazási kiemelkedő terület a sateliták és űrszondák építéséhez használt alkatrészek tisztítása az IPA laboratóriumaiban.

Gyártási folyamatok tisztasága

A különálló alkatrészek tisztítása mellett a gyártási folyamatok tisztasága is döntő a minőség szempontjából. A mikrochipek és kijelzők különösen érzékeny alkatrészek, amelyek szinte semmilyen szennyeződést nem tűrnek. Egyetlen finom porrészecske is rövidzárlatot okozhat, és tönkreteheti az elektronikát. Aki el akarja kerülni a kellemetlen meglepetéseket, annak a teljes gyártási berendezését a kezdetektől megfelelően kell kialakítania, a tervezéstől és a tisztatéri felszereléstől a használt eszközökön és anyagokon át a személyzet ruházatáig. Az IPA szakértői, például Frank BÜRGER csapata, ilyen megoldásokat kínálnak. Bizonytalanság esetén elvégzik a szükséges teszteket, és akár a munkatársakat is kiképzik, ha kérik.

Apró alkatrészek kezelése

Külön kihívás a mikroelektronikai és mikrotechnológiai termékek, például az okostelefon gyártásában az apró alkatrészek kezelése. Szétválasztás, fogás, szállítás, rögzítés, pozícionálás – mindez nem olyan egyszerű, mint a bútorok gyártásánál. Innovatív módszerekre van szükség. Például Dirk Schlenker munkacsoportja kifejlesztett egy módszert, amellyel a mikroszkopikus méretű alkatrészek, amelyek rendezetlen halmokban feküdnek egymásra, szétválaszthatók és oda szállíthatók, ahol szükség van rájuk. A hagyományos vibrációs szállítók határainál kisebb alkatrészek esetén, mint például fél milliméternél kisebbek, ezek a módszerek nem működnek. Mivel a „kicsik” a kis súlyuk miatt egyszerűen a szalagokon maradnak, a kutatócsapatnak teljesen újra kellett gondolnia a folyamatot. Az inspiráció a természetből származik: a vízibékák a víz felszínének felületfeszültségét kihasználva járnak a vízen. Apró csavarok, fogaskerekek, golyók, chipek vagy szenzorok is könnyűek ahhoz, hogy ne süllyedjenek el. A „IPA.Fluid-Sorting” nevű szabadalmaztatott eljárás, amelyet sikeresen prototípus szinten megvalósítottak, a könnyű alkatrészeket egy folyadékfelszínen lebegtetve, a gravitáció segítségével a folyadékréteg széléhez vezeti. Ott egy ütőfelülethez ütköznek, és olyan, mint egy lánc gyöngyei, egymás után rendeződnek. Ezután a folyadék visszahúzásával könnyen fel lehet venni őket. Ez a módszer minden, egy- vagy kétmilliméternél kisebb alkatrészhez alkalmas. Szinte nincs alsó határ: „Gyakorlatilag még a porrészecskéket is tudjuk szortírozni. Minél kisebb, annál jobb” – mondja Schlenker. Bár az ilyen mikro-szortírozó rendszerek iránti igény még korlátozott, várhatóan egyre több apró alkatrész lesz szükség, például az orvostechnikában, az óragyártásban vagy a mikroelektronikában.

Mikroadagoló technológia

Az apró alkatrészek kezelése mellett a legkisebb részek összeszerelése is új ötleteket igényel. Például ragasztás: mindenki ismeri azt a bosszúságot, amikor a ragasztó a munka befejezése után csepeg, mert a csőben lévő nyomás csak lassan csökken. Mikro-összeszerelés esetén ez nem megengedett. Egyetlen csepp is tönkreteheti az egész terméket. A Schlenker által vezetett csapat sikeresen bevezette az IPA-n fejlesztett „IPA.VALVE” nevű zárócsappal ellátott szelepet a piacon. Ez a szelep, amely könnyen csatlakoztatható a mai adagoló rendszerekhez, megbízhatóbban adagolja a folyadékokat, például ragasztót, olajat vagy tömítőanyagot. A legutóbbi szakkiállításon, a Motek-en, ez a szelep volt a legnépszerűbb. Egyszerű felépítése miatt hamarosan egyszer használatos alkatrészként is forgalomba kerülhet néhány euróért.

Intelligens munkadarab szállító

A technológiai fejlődés mellett az IPA innovatív gyártási megoldásokat is kínál. Az IPA szakértői jelenleg a jövő gyárán dolgoznak, amely az „Ipar 4.0” jelszó alatt egy új gyártási korszakot nyit meg. A terület egyik releváns témája az intelligens komponensek. A koncepció lényege: a gépek és gyártóeszközök már nem egyedülálló versenyzők, hanem csapatként működnek. Kommunikálnak egymással, és így megtalálják a legjobb megoldást. Ez jelentősen növeli a gyár rugalmasságát és hatékonyságát. Az IPA mérnökei a „smartWT” nevű, az BMBF támogatásával megvalósuló hálózatos gyár részeként egy intelligens munkadarab szállítót fejlesztettek ki, amely alkatrészeket szállít egyik gépről a másikra, és a folyamat során biztosítja azokat. A „smartWT” folyamatosan gyűjti a logisztikai és folyamatadatokat, és vezeték nélkül továbbítja azokat. Miniatürizált modulokkal van felszerelve a jelátvitelhez, kommunikációhoz és energia tárolásához. Emellett úgy van kialakítva, hogy a szállítás közben önálló feladatokat is ellásson, például egy alkatrész pozícionálását. Az IPA feladata az volt, hogy az egyes funkcionális egységeket integrálja a munkadarab szállítóba, és kidolgozza a lehetséges alkalmazási forgatókönyveket.

Moduláris összeszerelő rendszer

A fejlődéshez igazodva, egyre inkább szükség van olyan gyártási megoldásokra, amelyek lehetővé teszik a termékek alkalmazásnak megfelelő, gazdaságosan gyártható változatainak gyors és rugalmas előállítását, például szenzorok esetében. Nagy példányszám esetén, mint például a mobiltelefon-gyártásban, megéri nagy berendezéseket beruházni. A szenzorok gyártásánál azonban másképp kell eljárni, mivel a mennyiségek kisebbek, a változatosság pedig nagy. Kockázatos különösen a korai szakasz, amikor a folyamatok és azok összekapcsolása még nem végleges. Az IPA a BMBF támogatásával, a microTEC Südwest csúcscsoporthoz tartozó partneri együttműködésben kifejlesztett egy megoldást – a „VolProd” moduláris összeszerelő berendezést. Ez lehetővé teszi az egyes folyamatmodulok könnyű cseréjét, és szükség szerint azok lépésenkénti automatizálását és összekapcsolását. A demonstrátor, amelyet az IPA állított fel, szemlélteti, hogyan nézhet ki ez a rendszer.

Digitális nyomtatási technológia

Az IPA nemcsak a mikrorendszerekhez fejleszthető, változtatható és miniaturizált berendezéseket, hanem az új generációs gyártási megoldásokat is kutatja, például a 3D nyomtatásban alkalmazott innovatív módszereket. Azonban nemcsak az egyes rétegek megbízható felépítésére koncentrálnak, hanem a gyártástechnikai kérdésre is: az alkatrészek közvetlen integrálására a felépítési folyamat során. Együttműködő partnerekkel olyan innovatív folyamat- és rendszermegoldásokat fejlesztettek ki, amelyek már elérhetőek fejlesztési és demonstrációs célokra. Például egy összeszerelő modul, amellyel apró LED-ek helyezhetők el egy hordozó fóliába, amely egy több rétegből álló világító fólia része.

Az IPA szakértőinek szakértelmét jól mutatja, hogy a kutatóintézet listája még bővíthető, például galvanizálás, képfeldolgozás, szenzorok hálózatba kapcsolása vagy információfeldolgozás területeken.

Martin Schleef 2016 márciusa óta vezeti az „Elektronika és mikrorendszerek” üzleti területet. Dr. Udo Gommel, aki ezt a pozíciót sikeresen töltötte be azóta, helyettese. Ő irányítja a „Reinst- und Mikroproduktion” osztályt.