La importancia de la microfabricación

Tekniker Micromachining15/10/2002

Hace unas pocas décadas, los componentes de los relojes de pulsera eran de los más pequeños que existían en el mercado. El avance tecnológico y los cambios que se han producido en las demandas de la sociedad han originado la introducción de microcomponentes en varios sectores industriales. Por ejemplo, con el crecimiento de la industria de los semiconductores se han ido reduciendo el tamaño de los circuitos.

Fotografía de un enganaje obtenida en el microscopio electrónico en la que se puede apreciar la escala

Los circuitos integrados obligan a utilizar componentes de muy pequeñas dimensiones que requieren microorificios. Los relés y conectores a su vez son subconjuntos que utilizan componentes mecánicos de reducido tamaño. Otro ejemplo es el de los inyectores de los motores de combustión. La búsqueda de un mayor rendimiento junto con una regulación medio ambiental más estricta ha obligado a fabricar boquillas más pequeñas y de mayor precisión. Otro sector de demanda creciente es la biotecnología. La necesidad de manipular células y genes exige la utilización de microdispositivos. Las aplicaciones médicas son también crecientes. Cada vez es más importante en todas las disciplinas la cirugía de mínima invasión que no sería posible sin la utilización de instrumental (endoscopios, cateterismo) que en la actualidad es posible fabricar.

La microfabricación es un área tecnológica clave que permite la realización de todos esos microproductos y que se encuentra en rápida expansión. Si bien no existe una definición estándar de su significado, se puede considerar como ampliamente aceptado que el término microfabricación se emplea tanto cuando hablamos de tolerancias del orden de la micra como cuando alguna dimensión se encuentra en dicho orden de magnitud.

En este artículo se realiza un repaso de aquellos procesos de fabricación que se utilizan actualmente y finalmente se mencionan aquellos sobre los que ya se trabaja en Tekniker Micromachining.

Tecnologías para la microfabricación

En el siguiente cuadro se presentan las tecnologías existentes según el principio utilizado para el arranque del material:

Principio de arranque de material/tecnología

Fuerza / Corte, Rectificado, USM
Fusión/Evaporación/ EDM, LBM, EBM
Ablación / LBM
Disolución/ ECM, Fotolitografía
Deformación plástica/ Punzonado, prensado
Solidificación / Inyección
Laminación / Estereolitografía
Recomposición/ Electrodeposición

Estudios recientes sugieren que es posible aplicar este método (el corte) para arrancar material de dimensiones en torno al nanómetro

Molde de unos miccrodosificadores de medicamentos y un detalle del mismo

Corte

Aunque se trata del proceso más convencional, las mejoras introducidas en los equipos permiten su aplicación en la microfabricación. Estudios recientes sugieren que es posible aplicar este método para arrancar material de dimensiones en torno al nanómetro. Las precisiones que se obtienen actualmente en el posicionamiento permiten llegar a dichos valores.

Una de las condiciones indispensables es reducir el radio de corte de las herramientas para permitir pequeñas profundidades de corte en materiales de gran dureza. Otro de los elementos importantes a tener en cuenta es la influencia de los esfuerzos de corte en la deformación elástica de la herramienta o de la pieza.

En la actualidad los proceso más empleados son los siguientes: taladrado para microperforaciones, fresado para formas en 3D y torneado en diversas variantes para microestructuras convexas.

Cuando se utiliza aceite como fluido dieléctrico se obtienen mayores niveles de precisión y es posible obtener figuras con formas complejas por debajo de la micra

se está empleando también los láseres de femtosegundo. En la medida que se puede concentrar el pulso de energía en decenas de femtosegundo se obtienen grandes potencias. De esta forma es posible evaporar cualquier material sin generar efectos térmicos secundarios

Micro-electroerosión, EDM

Se trata de un proceso basado en la fusión y parcialmente en la evaporación. El calor necesario es aportado por una descarga eléctrica. Reduciendo el pulso de cada descarga es posible controlar la cantidad de material arrancado. Dado que los esfuerzos de corte entre la herramienta y la pieza son despreciables los movimientos pueden ser muy precisos.

Una variante es el WEDG (wire electrodischerge grinding) que permite fabricar herramientas, electrodos y formas convexas de unas pocas micras.

Se trata del proceso más utilizado para la realización de microorificios en materiales conductores. Los pequeños esfuerzos de corte permiten obtener sin gran dificultad orificios menores de 5 micras.

Cuando se utiliza aceite como fluido dieléctrico se obtienen mayores niveles de precisión y es posible obtener figuras con formas complejas por debajo de la micra. No obstante, el gran inconveniente es la velocidad de corte lo que reduce su utilización como medio de producción. Se trata de una de las tecnologías más prometedoras para la obtención de útiles y herramientas para la microfabricación.

Micro LBM (Laser Beam Machining)

Los láseres de CO2 o Nd:YAG pueden ser utilizados para fabricar agujeros de unas pocas micras. No obstante la resolidificación posterior que se produce y los efectos térmicos generados reducen sus aplicaciones.

Por el contrario los láseres excímeros no generan dichas consecuencias negativas. Mediante este proceso es posible transferir al material de forma precisa la forma iluminada por una máscara. En la actualidad se están utilizando láseres de longitud de onda de 193 nm e incluso menores. Se trata de un proceso muy empleado para materiales plásticos ya que se utilizan niveles de energía similares a las fuerzas moleculares. Con potencias superiores es posible aplicarlo a otros materiales pero con efectos secundarios por la generación de calor en el sustrato.

Por último, se está empleando también los láseres de femtosegundo. En la medida que se puede concentrar el pulso de energía en decenas de femtosegundo se obtienen grandes potencias. De esta forma es posible evaporar cualquier material sin generar efectos térmicos secundarios.

Para industrializar un producto es necesario disponer de procesos que permitan la fabricación en serie y el que más se emplea en la actualidad es la microinyección. La mayor dificultad consiste en la preparación del molde que generalmente se obtiene por una combinación de EDM, LBM, USM y corte

Micro USM (Ultrasonic Machining)

Se trata de un proceso en el que se emplea una herramieta y un fluido abrasivo. La herramienta vibra a frecuencias de ultrasonido y dirige el abrasivo para generar pequeñas fracturas en la superficie de la pieza. La forma y dimensiones de la pieza son las mismas que la de la herramienta. Dado que el principio se basa en la fractura frágil se trata de un método empleado para materiales como el vidrio, la cerámica, el silicio y el grafito.

En la medida en que el abrasivo está formado por partículas submicrométricas será posible emplearlo para microfabricación.

El mayor inconveniente es la precisión de la puesta a punto y el comportamiento dinámico del equipo. La vibración de la herramienta hace que la precisión de su amarre no sea fácil.

Inyección

Además se utilizan moldes en los que es necesario realizar cierto nivel de vacío que permite un buen llenado debido a las pequeñas dimensiones de las piezas. Por otro lado, es necesario prestar especial atención a las posibles deformaciones que se producen en el proceso de enfriamiento también por el reducido tamaño de los componentes. Todos estos factores se deben resolver en la fase de diseño.

Aunque la mayor parte de las aplicaciones se están realizan en materiales poliméricos también se empiezan a utiliza el MIM (Metal Injection Molding) y el CIM (Ceramic Injection Molding).

Micro-ECM (ElectroChemical Machining)

Este proceso está basado en la disolución electroquímica de un metal. En su versión convencional la forma a obtener viene determinada por la forma del electrodo, de manera similar al USM o al EDM. No obstante, la superficie atacada es siempre mayor que la propia del electrodo por lo que no es posible obtener buenas precisiones.

Tiene la ventaja de que se obtiene un acabado superficial muy bueno y no se producen efectos secundarios como en las zonas mecanizadas. Es gran utilidad cuando se quiere obtener micropiezas metálicas con baja rugosidad.