Mikro- und Nanotechnik

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Die zunehmende Miniaturisierung verlangt nach zuverlässigen Produkten mit immer mehr Funktionen auf kleinerem Raum und zu geringeren Kosten. Diese miniaturisierten Baugruppen und deren Komponenten müssen schneller und effizienter als bisher entwickelt sowie präzise und flexibel hergestellt werden. Dazu müssen im Labormaßstab vorhandene Fertigungstechniken in wirtschaftliche serientaugliche Produktionsabläufe überführt werden. Herausforderungen an die Produktionssysteme sind dabei eine höhere Wirtschaftlichkeit und Ausbeute, eine verbesserte Flexibilität auch bei kleinen Stückzahlen und hoher Teilevielfalt, eine Senkung der Anlagenkosten sowie wirtschaftlichere Werkzeuge.

Um noch kleinere Teile und genauere Strukturen erzeugen zu können, müssen bisherige Grenzen der Produktionstechnologien überwunden werden. Die heute eingesetzten Verfahren der Präzisionsfertigung erreichen bereits Genauigkeiten von wenigen Mikrometern. Zahlreiche Verfahren der Mikrostrukturierung ermöglichen ebenfalls Strukturabmessungen in dieser Größenordnung. Für neuartige Mikroprodukte werden sowohl neue Verfahren der Präzisionsfertigung als auch der Mikrostrukturtechnik benötigt. Insbesondere an Montage- und Prüfprozesse werden noch höhere Anforderungen gestellt. Hier müssen die Grenzen aus dem Mikrometer- in den Nanometer-Bereich verschoben werden.

Nachfolgend werden einige Projektbeispiele aufgeführt, die hierzu Lösungsvorschläge erarbeitet haben:

Vom Laborprototypen in die Produktion

Im ERANET-MNT-Projekt METASOLAR werden Strukturierungsverfahren mittels Ultrakurzpuls-Laser-Abtrags für die integrierte, monolithische Verschaltung von Dünnschichtsolarzellen auf elastischen und undurchsichtigen Substraten  entwickelt. Aufgrund der vielfältigen Einsatzmöglichkeiten von flexiblen Dünnschicht-Zellen mit ausreichend gutem Wirkungsgrad und akzeptablen Preisen wird die Marktakzeptanz und die Nachfrage für Maschinen als sehr hoch eingeschätzt. Die wirtschaftliche Produktion maßgeschneiderter und flexibler Dünnschichtmodule kann so gewährleisten werden.

Im Projekt PROZELL wurden Lösungen erarbeitet, um Mikrobrennstoffzellen im Leistungsbereich von 0,1 bis 1 Watt in Serienfertigungsverfahren herzustellen. Die Brennstoffzellen sind planar aufgebaut und sollen in einer aus der Elektronik bekannten Rolle-zu-Rolle-Fertigung hergestellt werden. Wenn es gelingt, Mikrostrukturen großflächig und in kurzen Taktzeiten herzustellen, können Mikrobrennstoffzellen wettbewerbsfähig am Produktionsstandort Deutschland hergestellt werden.

Flexible Fertigung – von der Einzelfertigung bis zur Großserie

Im Projekt FELIG wurde eine automatisierte Fertigungsstraße für die Massenfertigung von beispielsweise hochpräzisen Mikrozahnrädern nach dem LIGA-Verfahren (Lithographie, Galvanik, Abformung) aufgebaut. Die Fertigungskapazität wurde um ein Mehrfaches erhöht. Die Herstellkosten und die Durchlaufzeit konnten drastisch reduziert werden.

Prototypfertigung von Mikrosystemen

Für eine schnelle Entwicklung von Mikrosystemen werden Funktionsprototypen zur Erprobung benötigt. In den Projekten Rapidfluid und MICROTOOL wurden hierzu Lösungen aufgezeigt. Im Projekt Vakuum-SLS wurde eine weltweit neuartige Technologie zur Generierung von Mikroteilen – das Lasermikrosintern – entwickelt. Für das selektive Lasersinter-Verfahren wurde ein Weltrekord aufgestellt: es konnte eine Auflösung von unter 30 µm bei einem Aspektverhältnis von über zehn erzielt werden. Erstmals steht eine Technik zur Verfügung, bei der mit dem Laser kleine Bauteile mit komplizierten inneren Kanälen oder Führungen mit Genauigkeiten im Mikrometerbereich aus "Staub" aufgebaut werden können.

Mikrostrukturen auf großen Teilen

Komplexe und großflächig mikrostrukturierte Teile und Mikroteile erfordern eine effektive Kombination und Verzahnung unterschiedlicher Entwurfs- und Herstellungsverfahren (wie zum Beispiel bei dem Projekt MICROSTRUCT). Von den Entwicklungen der mikrotechnischen Produktion profitieren zunehmend konventionelle Fertigungsverfahren. Im Projekt Geospan wurden durch neu entwickelte Laserverfahren Mikrogeometrien für Zerspanwerkzeuge hergestellt. Durch laserverrundete Wendeschneidplatten konnten in einem beispielhaften Zerspanprozess die Parameter um 160 Prozent gesteigert werden. Zudem wurde der Verschleiß um 30 Prozent reduziert.

Mikrooptik

Im Projekt FERMI wurde eine Justierdrehmaschine zur Präzisionsfertigung und -ausrichtung (Zentrierung) im Submikrometer- bzw. Nanometer-Bereich von miniaturisierten optischen Baugruppen entwickelt. Damit können präzise Objektive für die Lasermaterialbearbeitung, Präzisions-Messoptik, Faser- und Mikroskopoptiken gefertigt werden.

Präzisionsfertigung

Im Projekt OPTICALSTRUCT wurde die durchgängige Herstellung von mikrostrukturierten Freiformoberflächen für Präzisionsoptiken der LED- Beleuchtungstechnik und der modernen Displaytechnologie erreicht. Die Projektpartner entwickelten eine ultrapräzise Diamantzerspanung mit Replikation und Messtechnik. Die internationale Kooperation der deutschen Partner im Rahmen von MNT ERA-Net verbesserte den Zugang zu europäischem Know-how und Vermarktungschancen.

Werkzeuge

Im Projekt MIDIAS wurden neuartige CVD-Diamantschleifstifte mit kleineren Durchmessern und feineren Körnungen als bisher verfügbar entwickelt und eine serientaugliche Produktionstechnik bereitgestellt. Als Zielgrößen bei der Werkzeugentwicklung wurden 0,1 Mikrometer für den Nenndurchmesser und 1 Mikrometer für die Körnung realisiert. Im Projekt MiMikri wurden ein Mikrobearbeitungszentrum und eine Mikrodrehmaschine sowie die hierzu erforderliche Spindeltechnologie, Werkzeuge und Spannmittel entwickelt. Zur Qualitätsprüfung der bearbeiteten Komponenten wurde eine Mikromessmaschine einschließlich eines geeigneten Tastsystems und der zugehörigen Peripherie für Handhabung und Positionierung konzipiert.

Nanotechnologie in der Produktion

Die Chancen und Herausforderungen der Nanotechnologie für die Produktionsforschung wurden in mehreren Verbundprojekten aufgegriffen. Im Projekt Nanover wird beispielsweise die prozesssichere Verarbeitung von Nanolacksystemen zur Oberflächenfunktionalisierung unterschiedlichster Substrate erforscht. In Nanover wird die Herstellung und Verarbeitung von nanopartikelhaltigen Systemen zu Kompositen entwickelt.


Stand: August 2011