Vytváření mikrostruktur kombinací mikrofrézování a laseru

Výroba jemných mikrostruktur ražením za tepla je cenově příznivá a efektivní technologie, která umožňuje vytvořit mikrostruktury v rozličných materiálech, jako je sklo, plasty a kovy, ve velkém počtu výrobků a ve velmi kvalitním provedení vytvářeného reliéfu. Oblastí použití, ve které se tato technologie používá, je výroba mikrostruktur pro diagnostické systémy. Zvláštní požadavky jsou zde kladeny zejména na používané kovové nebo keramické nástroje.

V jednom výzkumném projektu řešili vědečtí pracovníci výzkumného ústavu Fraunhofer - Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU v Chemnitzu společně s firmou Senslab GmbH z Lipska, jak hospodárně a s opakovanou kvalitou vyrábět takzvané Lab-on-a-Chips – Systeme (Labor-auf-dem-Chip). Vedle funkční diagnostiky přitom hrála velkou roli také výrobně definovaná mikrostruktura. Cílem bylo realizovat výsledek řešení na nákladné systémy diagnostiky, které se používají obvykle v laboratoři. Pod Labor-auf-dem-Chip se skrývá mikrofluidní systém, který veškerou funkčnost mikroskopické laboratoře umisťuje na plast o velikosti karty. Tím je možné kompletně a automaticky analyzovat sebemenší množství tekutiny na jednom jediném čipu. Zkušební vzorky byly dopravovány mezi různými reaktivními a analyzačními komorami pomocí kapilárních sil.

„Rozhodující význam zde mají zejména kvalita povrchu a přesnost takzvané mikrofluidní struktury,“ říká Stefan Droß, vědecký spolupracovník v oddělení funkčnosti povrchů a výroby mikrosystémů Institutu IWU.

„Již řadu let vyrábíme razníky pro ražení za tepla. Avšak v budoucnu budou struktury stále menší, takže současně používané výrobní postupy nebudou stačit,“ vysvětluje Droß. Požadavky kladené z hlediska přesnosti, kvality povrchu, základního materiálu a výroby struktur o velikosti menší než 100 μm nebudou většinou s dosud používanými technologiemi realizovatelné.

Aby bylo možné vyrábět tak malé struktury, je na jedné straně možné použít nové technologie, jako je laser nebo elektrochemické obrábění. Na druhé straně je také možné kombinovat stávající technologie k překonání technologické hranice. Zhruba před pěti lety proto vznikla idea kombinovat stávající technologie.

Vhodným postupem pro výrobu vysoce přesných razicích nástrojů je mimo jiné kombinace mikrofrézování a mikrostrukturování laserem. Frézování se obvykle používá pro obrábění kovových materiálů při výrobě prototypů, nástrojů a forem. Vzhledem k vysoké flexibilitě skýtá obecně mikrofrézování nejrychlejší a nejpřesnější postup pro výrobu mikrofluidních razníků.

Vzhledem k velmi malému průměru frézy je však opracovatelnost určitých mikroelementů omezená. „Minimální průměr nástroje se v oblasti mikrovýroby běžně pohybuje v oblasti ≥100 μm. Tím jsou miniaturní obrábění fluidních kanálů a ostrost hran vnitřních tvarů silně omezeny. Při použití nástroje o větším průměru se dosahuje většího objemu odebraných třísek, dobré vyrobitelnosti různých tvarů a velmi dobré jakosti obrobeného povrchu Rz = 0,5 μm,“ vysvětluje Droß.

Dobrá zaostřitelnost paprsku laseru na průměr stopy menší než mikrometr umožňuje naproti tomu obrábění velmi malých detailů struktury, jakož i velmi široké spektrum rozličných geometrických tvarů. Použití laserů s ultrakrátkými pulzy a procesu 3D laserového strukturování umožňuje mimo jiné obrábění velmi komplexních tvarů na povrchu součásti a funkčních povrchů bez většího ovlivnění základního materiálu. Touto metodou je možné v oboru fluidní techniky vyrobit povrchy s různými vlastnostmi.

Vytvarováním mikrofluidního systému je možné ovlivnit volbou struktury vlastnosti uvnitř fluidního systému. Další předností je, že pomocí strukturování laserem lze obrábět kromě kovových ma-teriálů také velmi špatně obrobitelné materiály, jako jsou například keramika a sklo. Droß přesto jmenuje také jednu nevýhodu: „Při opracování laserem je velmi malý úběr materiálu, který se projeví zejména při opracování vnějších rovinných ploch ležících uvnitř vytvářené struktury. Při obrábění
pouze laserem to může být příčinou značného prodloužení výrobních časů.“

Sekvenční kombinace mikrofrézování a strukturování laserem využívá výhod obou technologií a umožňuje tak výrobu struktur velmi jemných geometrických detailů o rozměrech < 10 μm, jakož i obrobení větších ploch. Tím je možné hospodárněji a rychleji obrobit celou součást. Kombinované obrábění může být provedeno v různých krocích výrobního procesu i několikanásobně. Pro kvalitu konečného výsledku je rozhodující dělení strukturovaných oblastí a použitý výrobní postup. Podle konstrukce nástroje, jakož i podle uspořádání a členění mikrostruktury, je nutné definovat cílové oblasti a pořadí jednotlivých operací. „Je možné definovat rovinné oblasti, které na nástroji oddělují vlastní mikrostruktury od ostatních ploch. Na těchto oblastech se nejprve vytvoří struktura laserem a následně se opracují rovinné plochy přesným obráběním,“ vysvětluje Stefan.

Další možnosti spočívají v rozdělení struktury na oblasti podle výhodnosti a možnosti jejího vytváření. V prvním kroku výroby se provádí strukturování jemných detailů laserem a oblastí, které nelze obrobit frézou, tedy třískovým obráběním. Poté následuje přesné obrábění ostatních ploch. Třetí možnost vytváření struktury spočívá ve vytvoření mikrostruktury do předem obrobeného povrchu. U všech tří variant je rozhodující vzájemné exaktní nastavení polohy oblastí pro laser a pro frézování. Při vytváření struktur <20 μm jsou požadavky na přesnost vzájemné polohy v rozsahu ±1 μm.

Technologie postupného úběru materiálu laserem a třískovým obráběním umožňuje vytvářet povrchy s různým provedením. Na jedné straně je možné využít procesu pro dosažení požadované vlastnosti povrchu. Na straně druhé je možné dosáhnout dodatečným použitím laseru požadované drsnosti povrchu, mimo jiné je možné vytvořit i lesklý povrch. Třískové obrábění a obrábění laserem umožňují vytvářet struktury na razicích nástrojích pracujících za tepla, ale i vytváření struktur vhod-ných i pro použití v mikrofluidní oblasti.

„Kombinací výhod jednotlivých technologií je možné dosáhnout vytvoření geometricky přesné struktury s přesnými obrysy,“ říká Stefan Droß. Předpokladem toho však je, že materiál, do kterého se struktura vytváří, je danou metodou obrobitelný. Volbou pracovních parametrů procesu při vytváření struktury laserem je možné obrobit vybrané oblasti tak, že vzájemně lícují nebo povrchy mají požadovanou vlastnost.

Zdroj: MM Das Industriemagazin č. 12, 2016

Annedore Munde, Ing. Jaroslav Řasa

jar.rasa@seznam.cz