メソスケール・マニュファクチャリング / Mesomanufacturing

従来の製造技術では、比較的大きく肉眼で見える「マクロスケール」の構造を製造しています。 With MESOMANUFACTURING ただし、ミニチュア デバイス用のコンポーネントを製造しています。 Mesomanufacturing は、 MESOSCALE MANUFACTURING or MESO-MACHINING とも呼ばれます。メソマニュファクチャリングは、マクロマニュファクチャリングとマイクロマニュファクチャリングの両方に重なっています。メソマニュファクチャリングの例は、補聴器、ステント、非常に小さなモーターです。

 

 

 

メソマニュファクチャリングにおける最初のアプローチは、マクロマニュファクチャリング プロセスを縮小することです。たとえば、寸法が数十ミリメートルで、重量が 100 グラムの 1.5W のモーターを備えた小さな旋盤は、ダウンスケーリングが行われたメソマニュファクチャリングの良い例です。 2 つ目のアプローチは、マイクロマニュファクチャリング プロセスをスケールアップすることです。例として、LIGA プロセスはスケールアップされ、メソマニュファクチャリングの領域に入ることができます。

 

 

 

当社のメソマニュファクチャリング プロセスは、シリコン ベースの MEMS プロセスと従来のミニチュア機械加工との間のギャップを埋めています。メソスケール プロセスでは、ステンレス鋼、セラミック、ガラスなどの従来の材料にミクロン サイズの特徴を持つ 2 次元および 3 次元の部品を製造できます。現在利用可能なメソマニュファクチャリング プロセスには、集束イオン ビーム (FIB) スパッタリング、マイクロミリング、マイクロターニング、エキシマ レーザー アブレーション、フェムト秒レーザー アブレーション、およびマイクロ放電 (EDM) 加工が含まれます。これらのメソスケール プロセスは、サブトラクティブ加工技術 (つまり、材料の除去) を使用しますが、LIGA プロセスは、アディティブ メソスケール プロセスです。メソ製造プロセスには、さまざまな機能と性能仕様があります。対象となる加工性能仕様には、最小フィーチャ サイズ、フィーチャ許容差、フィーチャ位置精度、表面仕上げ、および材料除去率 (MRR) が含まれます。当社は、メソスケール部品を必要とする電気機械部品をメソマニュファクチャリングする能力を持っています。サブトラクティブ メソマニュファクチャリング プロセスによって製造されたメソスケール パーツは、さまざまなメソマニュファクチャリング プロセスによって生成されるさまざまな材料と表面状態のために、独自のトライボロジー特性を持っています。これらのサブトラクティブ メソスケール加工技術は、清浄度、アセンブリ、およびトライボロジーに関連する懸念をもたらします。メソマシニングプロセス中に作成されるメソスケールの汚れや破片の粒子サイズは、メソスケールの機能に匹敵する可能性があるため、メソマニュファクチャリングでは清浄度が重要です。メソスケールのフライス加工と旋削加工では、穴を塞ぐ切りくずやバリが発生する可能性があります。メソ製造方法によって、表面形態や表面仕上げ状態が大きく異なります。メソスケールの部品は取り扱いや位置合わせが難しいため、ほとんどの競合他社が克服できないアセンブリの課題となっています。メソ製造における当社の歩留まり率は、競合他社よりもはるかに高く、より良い価格を提供できるという利点があります。

 

 

 

メソスケール機械加工プロセス: 当社の主要なメソ製造技術は、集束イオンビーム (FIB)、マイクロミリング、マイクロターニング、レーザーメソ機械加工、マイクロ EDM (放電加工) です。

 

 

 

集束イオン ビーム (FIB)、マイクロミリング、およびマイクロ ターニングを使用したメソ製造: FIB は、ガリウム イオン ビーム照射によってワークピースから材料をスパッタします。ワークピースは一連の精密ステージに取り付けられ、ガリウム源の下の真空チャンバーに配置されます。真空チャンバー内の並進および回転ステージにより、ワークピースのさまざまな場所が FIB メソ製造用のガリウム イオンのビームに利用できるようになります。調整可能な電場がビームをスキャンして、事前に定義された投影領域をカバーします。高電位により、ガリウム イオン源が加速し、ワークピースと衝突します。衝突により、ワークピースから原子が剥ぎ取られます。 FIBメソマシニングプロセスの結果、ほぼ垂直なファセットが作成されます。私たちが利用できる一部の FIB は、ビーム径が 5 ナノメートルと小さいため、FIB はメソスケールからマイクロスケールまで対応可能なマシンになっています。高精度フライス盤にマイクロフライス工具を取り付けて、アルミニウムの溝を加工します。 FIB を使用すると、旋盤で微細なねじ山を備えたロッドを製造するために使用できるマイクロ ターニング ツールを製造できます。言い換えれば、FIB を使用して、最終ワークピースに直接メソ加工フィーチャを加工するだけでなく、ハード ツーリングを加工することもできます。材料の除去速度が遅いため、FIB は大きな形状を直接加工するのには実用的ではありません。ただし、硬質工具は、驚くべき速度で材料を除去でき、数時間の加工時間に十分耐えられる耐久性があります。それにもかかわらず、FIB は、実質的な材料除去率を必要としない複雑な 3 次元形状を直接メソ加工するのに実用的です。露出の長さと入射角は、直接機械加工されたフィーチャの形状に大きく影響する可能性があります。

 

 

 

レーザー メソ製造: エキシマ レーザーは、メソ製造に使用されます。エキシマ レーザーは、紫外光のナノ秒パルスで材料をパルス化することによって材料を加工します。工作物は精密並進ステージに取り付けられます。コントローラーは、静止した UV レーザー ビームに対するワークピースの動きを調整し、パルスの発射を調整します。マスク投影法を使用して、メソ加工ジオメトリを定義できます。マスクは、レーザーフルエンスが低すぎてマスクをアブレーションできないビームの拡張部分に挿入されます。マスクの形状はレンズを通して縮小され、加工物に投影されます。このアプローチは、複数の穴 (配列) を同時に加工する場合に使用できます。当社のエキシマおよび YAG レーザーは、最小 12 ミクロンの特徴サイズを持つポリマー、セラミック、ガラス、および金属の機械加工に使用できます。 UV 波長 (248 nm) とレーザー メソマニュファクチャリング/メソ加工におけるワークピースとの良好な結合により、垂直なチャネル壁が得られます。よりクリーンなレーザー メソ加工アプローチは、Ti サファイア フェムト秒レーザーを使用することです。このようなメソ製造プロセスから検出可能な破片は、ナノサイズの粒子です。フェムト秒レーザーを使用すると、1ミクロンサイズの深い形状を微細加工できます。フェムト秒レーザー アブレーション プロセスは、材料を熱的にアブレーションするのではなく、原子結合を破壊するという点で独特です。フェムト秒レーザーメソマシニング/マイクロマシニングプロセスは、メソマニュファクチャリングにおいて特別な位置を占めています。これは、よりクリーンで、ミクロンの能力があり、特定の材料に依存しないためです。

 

 

 

Micro-EDM (放電加工) を使用したメソマニュファクチャリング: 放電加工では、放電加工プロセスによって材料が除去されます。当社のマイクロ EDM マシンは、最小 25 ミクロンの形状を作成できます。シンカーおよびワイヤ マイクロ EDM マシンの場合、フィーチャ サイズを決定するための 2 つの主要な考慮事項は、電極サイズとオーバー バンプ ギャップです。直径が 10 ミクロンをわずかに超える電極と、わずか数ミクロンのオーバーバーンが使用されています。シンカー放電加工機用の複雑な形状の電極を作成するには、ノウハウが必要です。グラファイトと銅の両方が電極材料として人気があります。中規模部品用の複雑なシンカー EDM 電極を製造する 1 つのアプローチは、LIGA プロセスを使用することです。電極材料としての銅は、LIGA 金型にメッキできます。次に、銅製の LIGA 電極をシンカー EDM マシンに取り付けて、ステンレス鋼やコバールなどの異なる材料で部品をメソ製造することができます。

 

 

 

すべての操作に十分なメソ製造プロセスはありません。メソスケールのプロセスの中には、他のプロセスよりも広範囲に及ぶものもありますが、各プロセスにはニッチがあります。ほとんどの場合、機械部品の性能を最適化するためにさまざまな材料が必要ですが、ステンレス鋼などの従来の材料には長い歴史があり、何年にもわたって非常によく特徴付けられているため、快適に使用できます。メソ製造プロセスにより、伝統的な素材を使用することができます。サブトラクティブ メソスケール加工技術は、当社の材料ベースを拡大します。かじりは、メソ製造における一部の材料の組み合わせで問題になる場合があります。それぞれの特定のメソスケール機械加工プロセスは、表面粗さと形態に独自の影響を与えます。マイクロミリングとマイクロターニングは、機械的な問題を引き起こす可能性のあるバリや粒子を生成する可能性があります。マイクロ EDM は、特定の摩耗および摩擦特性を持つ再鋳造層を残す場合があります。中規模部品間の摩擦効果は、接触点が限られている可能性があり、表面接触モデルでは正確にモデル化されていません。マイクロ EDM などの一部のメソスケール加工技術は、フェムト秒レーザー メソ加工など、まだ追加の開発が必要な他の技術とは対照的に、かなり成熟しています。