Trennende und abformende Mikrobearbeitungstechnologien

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1 Trennende und abformende Mikrobearbeitungstechnologien Prof. Dr.-Ing. Andreas Schubert Workshop Fertigung von kleinen Präzisionsteilen für die Medizintechnik und Analytik Berlin, 24. Januar 2008 Quelle: INA Schaeffler

2 Das Fraunhofer IWU im Profil Das Fraunhofer IWU im Profil

3 TU Chemnitz Professur Mikrofertigungstechnik gegründet 2003 Fakultät Maschinenbau, Institut für Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse Hauptarbeitsgebiete: Spanende Präzisions- und Mikrobearbeitung Mikro ECM / EDM Mikrostrukturierte Oberflächen Aktive Systeme - Piezointegration

4 Gliederung Warum Miniaturisierung in der Medizintechnik? Exemplarische Anwendungsbereiche Herstellung Fertigungsverfahren und Maschinen Ausblick

5 Was ist Mikro? Versuch einer Veranschaulichung Dimensionsvergleich in den Bereichen Technik und Biologie Nanotechnik Mikroelektronik Mikrosystemtechnik Maschinenbau Feinwerktechnik µm m menschliche Hand Wassertropfen Zelle Virus DNA 10-1 nm Atom Haardurchmesser

6 Mikrotechnik - Chance zur Innovation Funktion Funktionalität die kleine geometrische Abmessung ermöglicht neue Effekte Kostensenkung durch Reduzierung von Fertigungs- und Betriebsaufwand die Integration verschiedener Funktionen in einem kleinen Volumen sichert komplexe und mobile Lösungen Selbstreinigende Oberfläche ( Lotus- Effekt, heißgeprägt, CREAVIS) (Bild Drehratensensor Bosch) Drehratensensor, mikromechanisch (Bosch) Implantierbare Insulinpumpe (ISIT)

7 Basisinnovationen und Bedarfsfelder an der Schwelle von der Informationstechnik zur Gesundheits technologie Dampfmaschine Stahl Elektrotechnik Automobil Informations- Biotechnologie Textilindustrie Eisenbahn Chemie Petrochemie technik Psychosoziale Gesundheit Bekleidung Transport Massenkonsum Individuelle Information Gesundheit Mobilität Kommunikation 1. Kondratieff 2. Kondratieff 3. Kondratieff 4. Kondratieff 5. Kondratieff 6. Kondratieff Quelle: Nefiodow, L.: Der sechste Kondratieff: Wege zur Produktivität und Vollbeschäftigung im Zeitalter der Information, 2001

8 Gliederung Warum Miniaturisierung? Exemplarische Anwendungsbereiche Herstellung Fertigungsverfahren und Maschinen Ausblick

9 Was ist Mikrosystemtechnik? µ-optik µ-mechanik Entwerfen und Konstruieren Herstellen Anwenden weitere µ-techniken Mikrosystemtechnik µ-fluidik µ-elektronik

10 Biomedizintechnik Downscaling biochemischer Experimente und Analytik (DNA, Proteine...) - Automatisierung - Verringerung des Reagenzienbedarfs - Verringerung der Durchlaufzeiten Mobiles Gesundheitsmonitoring AGILENT Lab-on on-a-chip Source: Agilent

11 Medizintechnik (I) Medikamentendosierung Erhöhung des Anteils medizinisch wirksamen Aerosols von 10 % auf 80 % durch Miniaturisierung Medikamentenzerstäuber (Boehringer Ingelheim, microparts)

12 Medizintechnik (II) Minimalinvasive Operationen Endoskopie Implantate

13 Medizintechnik (III) Autonome Systeme Untersuchungen des Verdauungstrakts durch autonomes Kamerasystem Aufbau der M2A Kapsel 1. Optische Kappe 2. Linsen-Befestigung 3. Linse 4. Beleuchtungs LEDs (Light Emitting Diode) 5. CMOS-Bildsensor 6. Batterie 7. ASIC (Application Specific Integrated Circuit) Sender 8. Antenne

14 Gliederung Warum Miniaturisierung? Exemplarische Anwendungsbereiche Herstellung Fertigungsverfahren und Maschinen Ausblick

15 Fertigung von Mikrosystemen Design Fertigungs- verfahren Fertigungsmittel / Maschinen Planung Werk- und Betriebsstoffe Produkt Qualitätssicherung Vertrieb

16 Anforderungen an Fertigungssysteme der Mikrofertigung Maschinen Höchste Positioniergenauigkeit Geringe minimale Schrittweiten Dynamische und Thermische Steife Prozessüberwachung Erfassung aller relevanten Prozessgrößen (Maße, Kräfte, Schwingungen...) Fertigungsverfahren z.b. Fräsen, Bohren, Umformen, Ätzen... Werkzeuge Kleine Abmessungen zum Erzeugen kleiner Strukturen Verschleißarm Hohe Trennschärfe Fertigungsumgebung Sauber Temperaturstabil Schwingungsarm

17 Beispiel - Prozeßkette / Serienfertigung durch Replikation Mikrozerspanung Mikroumformen Mikroerosion bauteil Abformwerkzeug Mikrogießen Mikrostruktur- LIGA Si-Ätzen Mikrospritzguß

18 Übersicht Mikrofertigungsverfahren am IWU / MFT Spanen und Abtragen Umformen Montage Laserbearbeitetes SiC-Werkzeug Heißgeprägtes Glas Gefrästes Prägewerkzeug Kaltgeprägtes Aluminium Montage von Mikrosystemen

19 Prototypen Mittelohrimplantat Herstellung von 80 Prothesen-Prototypen (Steigbügel) für die Mittelohrchirurgie Implantatabmessungen: 0,55mm x 0,35mm x 0,5mm Halbkugeldurchmesser: 0,15mm Werkstoff: Titan Grade 2 Darstellung des menschlichen Gehörgangs Batch-Platine als Träger für 40 Prototypen Verbundprojekt mit: TU Dresden Klinik HNO Institut für Werkstoffwiss. NRU Präzisionstechnologie

20 Prozesskette Implantatprototyp Mikrozerspanung Zielstellung: Plasmapolieren Definiert geformtes Bauteil mit wachstumsstimulierender mikrostrukturierter Oberfläche Strahlen

21 Fertigungstechnologien für Mikrofluidik-Baugruppen Technologien zur Mikrobearbeitung und Beschichtung hochwarmfester metallischer Werkstoffe mikrostrukturierte Werkzeuge und Formen mit hoher Präzision und Oberflächengüte Anwendung als Form zur Mikroreplikation Gesau-WZ Mikro- Schaft- Werkzeuge Mikrospanen Mikrostrukturierte Elektroden µ-tec IWU Mikroabtragen Fischer Funktionale Beschichtung Roth&Rau Thermisch hochbelastbare Formeinsätze Replikation / Erstbemusterung Partner- Netzwerk IWU Partner: IWU, Fischer Werkzeugbau GmbH, µ-tec GmbH, Gesau-Werkzeuge GmbH, Roth & Rau AG

22 Heißprägewerkzeug Mikrofluidik Heißprägewerkzeug zum Prägen in Kunststoff Diagnostikanwendung im Bereich Medizintechnik (z.b.lactat-messung, Glucose-/Immunsensoren) Werkstoff: legierter Kaltarbeitsstahl 40 Formnester mit Mikrostrukturen bis 50µm Positionierhilfen Gefräster 50µm Steg Oberwerkzeug (Stempel) 130mm x 120mm Bearbeitungszeit: 100h eingesetzte Werkzeuge: Ø1mm, Ø0.8mm, Ø0.6mm u. Ø0.3mm in-process Vermessung mit CCD-Kamera

23 VHT Heißprägeanlage MicroShape Erste Anlage zum Heißprägen von Edelstahl, Titan und Gläsern für flächige (Wafer) Halbzeuge Hochtemperaturgeeignete Handhabetechnik für reduzierte Zykluszeiten Lotusstruktur in Aluminium Mikrofluidik in Glas

24 Gliederung Warum Miniaturisierung? Exemplarische Anwendungsbereiche Herstellung Fertigungsverfahren und Maschinen Ausblick

25 Ausblick Durchdringung aller Lebensbereiche mit mikrosystemtechnischen Komponenten und Geräten Durchgängige integrierte Fertigungstechnik für Mikrostrukturkomponenten und Systeme Mobilität Information / Kommunikation Gesundheit Haushalt / Wohnen Fertigungssystem Mühlbauer ASYS