Industrielle Anwendungen der Mikro- und Nanotechnik stehen im Mittelpunkt der Fachmesse MicroTechnology. Die Trends sind vielfältig. Schweißen, Bohren und Sintern sind ebenso ein Thema wie Inkjet-Beschichten oder Lithografie-Verfahren.
Der Markt für „Mikro, Nano, Materialien“ hat eine Breite angenommen, in der Orientierung nicht immer einfach ist. Deshalb organisiert der IVAM, Fachverband für Mikrotechnik mit Sitz in Dortmund, einen Gemeinschaftsstand mit etwa 60 Ausstellern innerhalb der rund 150 Aussteller umfassenden MicroTechnology. Mehr als 200 Experten aus der ganzen Welt stellen dort die Möglichkeiten neuer Materialien und innovativer Mikroproduktionstechnologien vor. Die gezeigten Lösungen belegen die hohe Anwendungsreife zahlreicher Laborentwicklungen.
Oberflächen mit extremen Topografien und engen Strukturen können im Sprühverfahren mit polymeren fotostrukturierbaren Materialien in gleichmäßigen Lagen beschichtet werden. Interessant ist das etwa auf Vias (Vertical Interconnect Access), wie sie in der Halbleiter- und Mikrosystemtechnik zum beidseitigen Kontaktieren der Wafer verwendet werden.
Glanz und Kratzschutz sind seit bald 20 Jahren ein heißes Thema, im Auto wie im Haushalt. Bei der Beschichtung von Kunststoffen und Metallen mit Vakuum- oder Plasmaverfahren gelang Fraunhofer-Wissenschaftlern mit Nanomaterialien endlich der Durchbruch. Anorganische Nanopartikel auf SiOx-Basis bilden dabei eine Matrix mit organischen Verbindungen. Diese Plasma-Nanokomposite sind erheblich härter als Lacke und dennoch rissfest. Weitere Anwendungen führen zu Antireflex-Schichten oder tribologischen Beschichtungen von Motorkolben zur Minimierung von Reibung und Verschleiß.
Oberflächenbeschichtungen sind auch für die Medizin ein wichtiges Feld. So findet man in Hannover ein Inkjet-System, das dreidimensionale Mikrostrukturen auf medizinischen Implantaten wie Gelenkprothesen beschichtet.
Medizin und andere Life Sciences sind in besonderem Maße auf kleine Hochleistungsbauteile angewiesen. Kleinste und extrem widerstandsfähige Präzisionsteile aus Metall und Keramik finden sich auf vielen Ständen der MicroTechnology 2007, denn sie spielen eine zentrale Rolle in der Analytik und der Sensortechnik. Die Herstellung selbst sehr komplexer Formen im kostengünstigen Spritzguss von Nanokompositen ist inzwischen ausgereift und wirtschaftlich. Mikropumpen erlauben eine nanolitergenaue Dosierung von Flüssigkeiten sowohl bei der Herstellung von Diagnostika als auch bei der Medikamentengabe direkt am Patienten.
Kleinste Sensoren, direkt im Werkzeug integriert, sichern die exakte Position und Abtragsleistung von Werkzeugen in der Präzisionsfertigung. So kann auch das Laufverhalten eines Kugellagers mit integrierten Drucksensoren überwacht werden, um Schäden frühzeitig zu erkennen. Im Rahmen des BMBF-Verbundvorhabens µgeoMess wurden Silizium-Cantilever mit Tastspitze und piezoresistiver Signalwandlung entwickelt, um auch feinste Strukturen auf die Einhaltung der Geometrie und auf Rauigkeitswerte überprüfen zu können.
Bei gestanzten Löchern führen Fehlstanzungen zu einem kostspieligen Ausschuss und späteren Produktionsstörungen. Ein druckresistiver, nur 2 mm hoher Sensor im Stanzwerkzeug registriert sofort ausgelassene Löcher oder stumpfes Werkzeug. Dieser Sensor besteht aus einer Kohlenstoffschicht, die im Vakuumbeschichtungsverfahren auf eine dünne Metallscheibe aufgebracht wird.
Laser bringen auch die Schweißenergie präzise auf den Punkt: ein Faserlaser und eine innovative Bestrahlungsstrategie ermöglichen das Laserstrahlschweißen von wärmesensiblen Kunststoffen bei Geometrien von 100 μm und Bearbeitungsgeschwindigkeiten bis zu 24 m/min. Auch in der Mikrosystemtechnik und Mikrooptik stellt das Laserstrahlbonden eine zuverlässige Niedertemperatur-Verbindungstechnik dar. Damit lassen sich Komponenten wie Glas, Saphir, Keramik und Kunststoffe auf einen Silizium-Grundkörper aufbringen. Das Bonden von artgleichen Werkstoffen unter Einsatz von absorbierenden metallischen Zwischenschichten kann für das Packaging in Sensorik, Mikrooptik und Displaytechnik eingesetzt werden. Durch die minimale Wärmeeinflusszone werden thermisch sensitive Komponenten in unmittelbarer Nähe der Fügezone nicht beeinträchtigt. Selbst Quarz- oder Kalk-Natron-Gläser können dabei verwendet werden.
Filter, Düsen und Membranen sind „löchrige“ Schlüsselkomponenten in zahllosen Einsatzfeldern. Ein auf der MicroTechnology vorgestelltes Laserbohrverfahren mit Scansystem erzeugt in Metallfolien von 50 bis 100 μm Dicke Bohrraster mit Lochdurchmessern von 10 bis 30 μm. Die Bohrrate erreicht dabei bis zu 1000 Löcher/Sekunde.
Der Laser hilft auch bei der Mikromassivumformung hochlegierter Stahlwerkstoffe, bisher ein Problemmaterial für die Kaltverformung, wie sie für den Aufbau komplexer hybrider 3D-Mikrosysteme benötigt werden. Bestehen Pressform und Stempel aus teiltransparentem Material wie Saphir, kann mit Laserhilfe auch passgenau und ohne Umweg über einen Grünling gesintert werden.
Roland Dreyer Fachjournalist in Stuttgart
Marktchancen
Mikropumpen dosieren Nanoliter-genau, winzige Sensoren sichern die Präzsionsfertigung oder sie melden – selbst nicht zu sehen – aus dem Kugellager heraus sich abzeichnende Schäden: Kurzum: Mikroelemente sind Zauberkünstler, die Makroprodukte verbessern oder erst ermöglichen und so eine hohe Wertschöpfung erzielen. Wer hier Know-how aufbaut, hat große Marktchancen. Allerdings erst, wenn sein Produkt wenigstens ansatzweise auf dem Tisch liegt.
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