Mały, bardzo precyzyjny i czuły – wyzwanie w każdej wymiarze

Ultradźwiękowe czyszczenie precyzyjne elementów w pomieszczeniu czystym klasy ISO 1.

Od zastępowania konwencjonalnych procesów sitodruku po komponenty wytwarzane metodami generatywnymi aż po zastosowania w dziedzinie biomedycyny – możliwości zastosowania technologii druku cyfrowego są niemal nieograniczone.

Do kontaminations- i uszkodzeń-bezpiecznego pojedynczego oddzielania, sortowania i podawania wrażliwych mikroelementów mniejszych niż 500 mikrometrów, Fraunhofer IPA wykorzystuje efekty powierzchniowe w cieczach. Elementy do przetwarzania są celowo nanoszone z zbiornika na powierzchnię cieczy w rezerwuarze, ustawioną na podstawie poziomu napełnienia. Grawitacja przemieszczają unoszące się elementy w kierunku krawędzi cieczy, przeciwko zamontowanej tam wymiennej krawędzi ograniczającej, gdzie elementy układają się w rzędzie.

IPA.FluidSorting – Oddzielanie i podawanie elementów mikrotechnicznych na bazie cieczy.

Satellit do oczyszczania CO2

Dr.-Ing. Udo Gommel

Pierwsze komputery osobiste, które pojawiły się na rynku na początku lat 80., były masywnymi walizkami, które oferowały niewiele komfortu. Dziś każda inteligentna zegarka na nadgarstku zapewnia wielokrotność tego, co te dinozaury. Miniaturyzacja osiągnęła poziom, którego jeszcze dekadę temu nikt nie mógłby sobie wyobrazić. Tranzystor na zintegrowanym obwodzie jest mniejszy niż każda bakteria, czujniki mierzą zaledwie milimetry, a do przyjrzenia się niektórym drobinkom potrzeba lupy. Istnieją rozruszniki serca wielkości tabletki oraz jednorazowe laboratoria do analizy krwi z pompami, zaworami i kanałami, które mieszczą się na chipie z krzemu. Mikroskopijne Pico-satelity wystrzeliwane w kosmos ważą niewiele więcej niż kostka masła.

Skłonność do małych i najdrobniejszych elementów przejawia się szczególnie w elektronice i mikrosystemach. »Miniaturyzacja stawia najwyższe wymagania wobec produkcji i czasami wymaga zupełnie nowych podejść«, mówi dr Udo Gommel, który do lutego 2016 roku kierował tym działem. Przede wszystkim: musi toczyć się w ekstremalnie czystych warunkach. Jeśli nawet drobny pyłek może doprowadzić do całkowitej awarii komponentu lub nawet całego urządzenia, czystość jest absolutnym priorytetem. Również obróbka i montaż na tym poziomie miniaturyzacji wymaga nowych technologii. Na przykład, małe i wrażliwe elementy można obsługiwać tylko ograniczonymi narzędziami i metodami. Ponadto, na przykład, nakładanie klejów w procesie montażu musi odbywać się z najwyższą precyzją. Pracownicy działu »Elektronika i Mikrosystemy« podejmują wyzwania związane z produkcją takich produktów. W ten sposób wnoszą istotny wkład w rozwiązanie technicznych kwestii produkcyjnych przemysłu. Do tego dochodzą własne lub wspólnie z partnerami opracowane rozwiązania produktowe, takie jak na przykład kompaktowy skaner radarowy zrealizowany w ramach konsorcjum Fraunhofer, który przenika przez przeszkody optyczne i zapewnia wyraźny obraz nawet w obecności pyłu, dymu, mgły czy deszczu.

Największa na świecie hala badawcza czystych pomieszczeń

Warunkiem produkcji cienkich struktur lub obróbki najmniejszych elementów jest kontrolowana czystość w specjalnym pomieszczeniu, zwykle w czystym pomieszczeniu. Aby badać i oceniać zależności zachowania kontaminacji od urządzeń produkcyjnych i jakości wyprodukowanych produktów, Fraunhofer IPA dysponuje, oprócz wielu systemów analitycznych, największą na świecie halą badawczą czystych pomieszczeń klasy ISO 1 z laminarno-przepływowym systemem wymiany powietrza. Ma ona około 150 metrów kwadratowych powierzchni podstawowej i wysokość ponad 6 metrów. Dzięki wytrzymałej konstrukcji na ciężkie obciążenia, można tam nie tylko badać bardzo małe końcowe produkty, ale także, w połączeniu, bardzo duże i ciężkie urządzenia produkcyjne i systemy o łącznej wadze do niemal 40 ton. Jeden metr sześcienny powietrza zawiera maksymalnie 10 cząstek o wielkości 0,1 mikrometra, podczas gdy w zwykłym miejskim powietrzu jest ich 10^13. Dodatkowo, instytut dysponuje nowoczesnymi urządzeniami, takimi jak skaningowe mikroskopy elektronowe, mikro-tomografy komputerowe czy spektrometry masowe, które umożliwiają pomiar zanieczyszczeń komponentów oraz ocenę i porównanie skuteczności różnych metod czyszczenia. Nic więc dziwnego, że eksperci z Stuttgartu zasiadają w ważnych gremiach odpowiedzialnych za standaryzację procedur czystości i czyszczenia.

Stowarzyszenia przemysłowe »Cleanroom Suitable Consumables« (CSC) i »MediClean«

Ważność tego tematu dla przemysłu pokazuje założenie dwóch nowych inicjatyw przez IPA. W ramach stowarzyszenia przemysłowego »Cleanroom Suitable Consumables« (CSC) chodzi o materiały zużywalne używane codziennie w czystych pomieszczeniach, czyli kombinezony, rękawice, maski, ściereczki i podobne. Motywacją jest fakt, że najlepsze czyste pomieszczenie jest bezużyteczne, jeśli jest stale zanieczyszczane przez materiały zużywalne, które podczas ich prawidłowego użycia emitują zanieczyszczenia. Dotychczas brakowało wiarygodnych reguł lub choćby porównawczych pomiarów, co często prowadzi do przekraczania granicznych wartości czystości dla danego produktu. »Staramy się rzucić światło na ten temat«, mówi odpowiedzialny ekspert IPA, Frank Bürgen. W projekcie uczestniczą firmy z różnych branż, które są zależne od kontrolowanych warunków czystości, głównie z przemysłu farmaceutycznego, elektroniki i przemysłu kosmicznego. Ostateczne zasady mają zostać ustanowione jako międzynarodowa norma. Druga inicjatywa przemysłowa ma podobne cele w dziedzinie medycyny. »MediClean« zajmuje się czystością produktów medycznych, takich jak implanty czy igły do iniekcji. Już podczas produkcji, a także w szpitalach i gabinetach lekarskich, czystość i higiena są kluczowe, ponieważ zanieczyszczenia biologiczne (np. bakterie) mogą prowadzić do zapaleń lub odrzutu medycznych implantów. Dotychczas nie istnieją obowiązujące normy dotyczące właściwego czyszczenia i produkcji zgodnej z zasadami czystości. Powoduje to powtarzające się komplikacje. Kasy chorych szacują, że wyłącznie w Niemczech szkody ekonomiczne wynikające z odrzutu nieczystych implantów sięgają rocznie około 7 miliardów euro. Stowarzyszenie przemysłowe pod kierownictwem IPA ma na celu rozwiązanie tego problemu. Na poziomie technologicznym, Fraunhofer IPA wnosi istotny wkład w możliwą przemysłową realizację produktów wysokiej technologii, korzystając z kompetencji zgromadzonych w ramach działu. Na przykład, jeśli konieczne jest czyszczenie elementu wrażliwego na zanieczyszczenia – nie ma problemu. IPA dysponuje kluczowymi metodami czyszczenia, takimi jak plazma, ultradźwięki czy dwutlenek węgla, zarówno w metodach mokrych, jak i suchych.

Czyszczenie dwutlenkiem węgla (CO2)

Specjalistyczną wiedzą dysponuje IPA w zakresie czyszczenia dwutlenkiem węgla, które jest niezastąpione dla elementów bardzo wrażliwych. Eksperci z Stuttgartu opracowują metodę czyszczenia folii i podłoży szklanych, które są stosowane w wielu smartfonach, podczas produkcji metodą roll-to-roll. Za pomocą opatentowanej dyszy dwuskładnikowej powierzchnie do czyszczenia są »napromieniane« kryształowym śniegiem CO2. Poprzez regulację parametrów, takich jak ciśnienie strumienia, mieszanka dwuskładnikowa, kąt i odległość strumienia, można osiągnąć zoptymalizowaną skuteczność czyszczenia w zależności od specyfiki powierzchni. Po pierwsze, w temperaturze pokojowej, dzięki różnicy temperatur między powierzchnią a CO2, dochodzi do rozpraszania filmowych zanieczyszczeń, takich jak oleje czy tłuszcze. Pod wpływem ciśnienia strumienia, rozrzedzone zanieczyszczenia odrywają się od powierzchni i są usuwane. Dodatkowo, śnieg CO2 sublimuje podczas uderzenia w powierzchnię, natychmiast przechodząc w stan gazowy. Eksploduje, zwiększając swoją objętość aż o czynnik 800. W tym procesie rozpraszane zanieczyszczenia odrywają się bez szkody dla delikatnego podłoża. Aktualnym przykładem zastosowania tej metody jest czyszczenie komponentów do budowy satelitów i sond kosmicznych w laboratoriach IPA.

Higiena procesów produkcyjnych

Oprócz czyszczenia pojedynczych elementów, czystość procesów produkcyjnych jest kluczowa dla jakości. Mikroczipy i wyświetlacze to szczególnie wrażliwe elementy, które praktycznie nie tolerują zanieczyszczeń. Już pojedynczy drobny pyłek może spowodować zwarcie i zniszczyć elektronikę. Aby uniknąć nieprzyjemnych niespodzianek, trzeba od początku odpowiednio zaprojektować cały system produkcyjny – od projektu i wyposażenia czystego pomieszczenia, przez używane narzędzia i wybór materiałów, aż po odzież personelu. Eksperci IPA, na przykład z zespołu Franka Bürgena, dostarczają odpowiednie rozwiązania. W razie wątpliwości przeprowadzają niezbędne testy i mogą, jeśli to konieczne, przeszkolić pracowników.

Obsługa drobnych elementów

Wyzwaniem w produkcji mikroelektroniki i mikrotechniki, takiej jak smartfony, jest obsługa małych elementów. Oddzielanie, chwytanie, podawanie, mocowanie, pozycjonowanie – wszystko to nie jest możliwe jak w przypadku produkcji mebli. Potrzebne są innowacyjne metody. Na przykład, zespół kierowany przez Dirka Schlenkera opracował metodę, która pozwala na oddzielenie i transport mikroskopijnych elementów ułożonych w nieuporządkowany stos, do miejsca, gdzie są potrzebne. Tradycyjne wibracyjne podajniki osiągają granice techniczne przy elementach mniejszych niż pół milimetra, ponieważ te »zabytki« ze względu na niewielką masę po prostu pozostają na taśmie. Zespół musiał więc całkowicie zmienić podejście. Inspiracją były naturalne zjawiska: wodne biegacze potrafią poruszać się po powierzchni wody, korzystając z napięcia powierzchniowego. Mikroskopijne śruby, koła zębate, kule, układy scalone czy czujniki są również na tyle lekkie, że nie toną. Patentowana metoda »IPA.Fluid-Sorting«, która została pomyślnie przetestowana w prototypie, sprawia, że lekkie elementy unoszą się na wytworzonej powierzchni cieczy i dzięki grawitacji same przemieszczają się do krawędzi warstwy. Tam uderzają w ogranicznik i układają się jak perły na nici. Po odciągnięciu cieczy można je wygodnie zebrać. Metoda ta nadaje się do wszystkich elementów mniejszych niż dwa milimetry. Podstawowa granica jest niemal nieograniczona: »W zasadzie możemy sortować nawet pyłki. Im mniejsze, tym lepiej«, mówi Schlenker. Na razie zapotrzebowanie na takie mikro-systemy sortujące jest niewielkie, ale widać, że coraz więcej drobnych elementów będzie potrzebnych, na przykład w medycynie, przemyśle zegarmistrzowskim czy mikroelektronice.

Mikrodozowanie

Poza obsługą, konieczne są też nowe pomysły na montaż najmniejszych elementów. Przykład: klejenie. Każdy zna irytację, gdy klej kapanie po skończonej pracy, ponieważ ciśnienie w tubce powoli się obniża. W mikro-montażu coś takiego nie może się zdarzyć. Jeden kropla może zniszczyć cały produkt. Zespół Schlenkera, we współpracy z przemysłowym partnerem, z powodzeniem wprowadził na rynek opracowany w IPA »IPA.VALVE«. Zawór zamykający, który zapobiega typowemu kapanie, można łatwo zamontować do obecnych systemów dozujących, co pozwala na bardziej niezawodne dozowanie różnych cieczy, takich jak kleje, oleje czy materiały uszczelniające. Podczas ostatniej targowej prezentacji automatyzacji produkcji i montażu Motek, »zawór ten był hitem«, cieszy się Schlenker. Jest tak prosty, że wkrótce ma trafić do sprzedaży jako jednorazowa część za kilka euro.

Inteligentny przenośnik części

Oprócz osiągnięć technologicznych, IPA dostarcza również innowacyjne rozwiązania produkcyjne. Obecnie eksperci z IPA pracują nad fabryką przyszłości, która pod hasłem »Przemysł 4.0« zapoczątkuje nową erę produkcji. Kluczowym tematem są tam inteligentne komponenty. Idea jest taka: poszczególne maszyny i urządzenia nie są już pojedynczymi jednostkami, lecz działają w zespole. Komunikują się ze sobą i same znajdują optymalne rozwiązania. To znacznie zwiększa elastyczność i wydajność fabryki. Inżynierowie IPA, w ramach finansowanego przez BMBF projektu »smartWT«, dodali kolejny element do sieciowej fabryki: inteligentny przenośnik, który transportuje elementy z jednej maszyny do drugiej i udostępnia je w trakcie procesu. »smartWT« umożliwia ciągłe zbieranie danych logistycznych i procesowych, które przesyła bezprzewodowo. Wyposażony jest w miniaturowe moduły do przetwarzania sygnałów, komunikacji i magazynowania energii. Co więcej, jest tak zaprojektowany, że podczas transportu może automatycznie wykonywać zadania, na przykład pozycjonować element. Zadaniem IPA było zintegrowanie poszczególnych funkcji w przenośniku i opracowanie potencjalnych scenariuszy zastosowań.

Modułowa linia montażowa

W związku z trendem ku inteligentnym systemom, coraz częściej potrzebne są rozwiązania produkcyjne, które umożliwiają ekonomiczną produkcję dostosowaną do konkretnego zastosowania, na przykład czujników. Przy dużych seriach, jak w produkcji telefonów komórkowych, opłaca się inwestować w duże urządzenia. W przypadku czujników produkcja musi wyglądać inaczej, ponieważ ilości są mniejsze, a różnorodność większa. Szczególnie ryzykowna jest wczesna faza wdrożenia przemysłowego, gdy procesy i ich powiązania jeszcze nie są ostatecznie ustalone. W ramach współpracy z partnerami, IPA opracowało rozwiązanie – modułową linię montażową »VolProd«. Umożliwia ona łatwą wymianę poszczególnych modułów procesowych i ich stopniową automatyzację i integrację. Jak to wygląda, pokazuje demonstrator zbudowany w IPA.

Technologia druku cyfrowego

Oprócz rozwoju elastycznych i miniaturowych urządzeń dla mikrotechniki, naukowcy z IPA pracują nad rozwiązaniami produkcyjnymi dla nowej generacji produktów. Chodzi o innowacyjne rozwiązania druku 3D. Jednak IPA koncentruje się nie tylko na wyzwaniu polegającym na niezawodnym nakładaniu pojedynczych warstw, ale także na technologicznym aspekcie: bezpośredniej integracji elementów w trakcie procesu budowy. Wspólnie z partnerami opracowano innowacyjne rozwiązania procesowe i systemowe, które są dostępne jako baza rozwojowa i do demonstracji. Na przykład moduł montażowy, który pozwala na umieszczenie mikroskopijnych diod LED w kieszeni folii nośnej, stanowiącej część wielowarstwowej folii oświetleniowej.

Lista kompetencji IPA w zakresie produkcji elektroniki i mikrosystemów jest długa, obejmuje m.in. galwanikę, rozpoznawanie obrazów, sieci sensorów czy przetwarzanie informacji.

Martin Schleef od marca 2016 roku kieruje działem »Elektronika i Mikrosystemy«. Dr Udo Gommel, który pełni tę funkcję od tego czasu, jest jego zastępcą. Kieruje działem »Czysta i mikro produkcja«.

Dr.-Ing. Udo Gommel:
Kierownik działu Czysta i mikro produkcja, zastępca kierownika działu »Elektronika i Mikrosystemy«