微型组件的尺寸不断缩小，对具有亚微米尺寸特征的零件的精度和处理能力提出了更高的要求。微加工技术的新方法包括来自传统微加工开发商的更高精度系统，以及在最小的微型零件上使用增材制造工艺和半导体晶圆级技术的技术。
通过微加工和成型技术，制造商可以制造出一系列惊人的极小零件用于医疗用途，包括导管、手术工具和由各种材料制成的植入物，包括金属、陶瓷、硅和 PEEK 聚合物。微型元件也越来越多地为最新的高科技设备提供动力，包括智能手机和 iPad 中的小型电池、连接器、LED 和 IC 芯片，以及军方在航空航天和国防应用中使用的一些微型设备。
“这个行业肯定是越来越小了，我n 就组件的尺寸而言，以及它们所要求的组件的精度。我们在特征尺寸和公差方面正在接近纳米，并且每天都在朝着这个方向进一步推进，”Micro Engineering Solutions（MES；查尔顿市，马萨诸塞州）总裁兼首席执行官 Donna Bibber 说道，该公司是微电子的制造商和开发商机加工和微型模制零件。计量学、零件处理障碍
随着微型组件变得越来越小和越来越精确，制造商在组合材料（可以是金属或塑料件）以制造时面临更多困难一个集会，Bibber 指出。在测量和测试亚微米零件时也会出现问题。 “测试和计量与任何事情一样重要，”她补充道。 “您可能听说过这样一句话：‘如果不能测量，就无法制造。’在这种小的层面上，这一点更为重要。”
最近的一个 MES 项目涉及制造结束Bibber 回忆说，内窥镜直径 5 毫米，长 20 毫米，其中有 18 种不同的金属部件协同工作，因此内窥镜可以 360 度移动和旋转针头。 “你可以想象在这种情况下，堆叠公差有多大，字面意思是微米，”她说。 “我们不能总是按比例放大到从机加工零件到模制零件所需的公差，但我们必须在堆叠公差方面计划从第一部分开始放大。”
另一个主要问题是更具挑战性的零件几何形状的趋势。 “趋势是小特征、小零件和小组件，”Bibber 说。 “挑战主要在于处理和计量。组件的大部分成本实际上取决于您如何处理组件以及如何测量它们。”
增材微工艺
结合 3D 打印和半导体制造技术的各个方面, Microfabrica Inc. (Van Nuys, CA) 开发了d 一种增材制造工艺，能够开发复杂的亚毫米金属部件和子组件。 MICA Freeform 是该公司专有的批量生产工艺，使用包括镍钴、钯、铑和铜在内的材料调色板，可实现 1 至 2 微米的公差和 20 微米的特征尺寸，涵盖范围广泛的机械和机电
“3D 打印是最有前途的制造技术之一，”Microfabrica 首席执行官埃里克·米勒 (Eric Miller) 说。 “如今，大部分 3-D 打印都属于原型开发。
然而，随着新工艺和材料的出现，3-D 打印的生产机会正在出现。
“持续且有时是不懈的小型化驱动正在推动传统的微加工工艺向前发展，我们看到激光加工和微 EDM 正在发生许多令人兴奋的事情，因为它们继续能够以越来越小的规模制造更复杂的组件和零件，”米勒说。 “也就是说，这些减材工艺中的大多数都在毫米和亚毫米范围内挣扎，而且许多都在大批量生产中挣扎。”
MICA Freeform 工艺结合了 3-D 打印和半导体的各个方面规模制造。 Miller 说，这是一种增材制造工艺，允许设计师实现几乎任何可以想象的几何形状，无论多么复杂。 “晶圆级制造原理使我们能够在亚毫米级实现极高的精度，并在批量生产过程中利用这些属性。”
Microfabrica 占地 40,000 平方英尺（3720 平方米）的 Van Nuys 总部包括它的制造工厂和公司还在加利福尼亚州圣克拉拉设有医疗设备开发办公室。 “最简单形式的增材制造是分层构建，”Miller 说，“因此我们将制作任何设计师的 3D CAD 模型，然后将其放入我们名为 Layerize 的专有软件中，该软件将设计分成多个层。这为我们的制造过程准备了设计。我们为每一层制作一个光掩模，然后电化学沉积每个结构层，直到整个设备或组件都构建在晶圆上。最后一步是化学蚀刻掉牺牲材料以解决设计问题并从晶圆上释放组件。”
Microfabrica 与在非常小的规模上需要极高精度的行业合作，Miller 说，包括航空航天/国防、半导体测试和医疗设备。 “例如，我们为半导体测试行业的微接触应用制造了一种非常复杂的金属复合材料，”他说，“我们正在与一家非常大的航空航天/国防承包商合作，为军方开发保险丝。我们还致力于开发一种微型组织去除装置一家大型医疗制造商。”
10 月下旬，Microfabrica 宣布已与庄信万丰医疗（宾夕法尼亚州西切斯特）签署独家销售和营销协议，庄信万丰医疗是特种和贵金属机加工零件、管道的供应商、电线和镍钛合金用于医疗器械行业。
与庄信万丰的交易使庄信万丰能够向其客户群介绍 MICA Freeform 技术。 “它确实将他们的能力扩展到一个全新的规模，使他们的客户能够在小型化的道路上进一步前进。
“我们的最佳点是在亚毫米尺度，”Miller 说。 “基于我们工艺的半导体制造方面，我们可以为这些设备实现极其严格的公差，±2 µm。我们可以创建的最小特征尺寸为 20 µm。”
低摩擦微表面技术
微制造的另一个主要趋势是通过创建表面来降低成本Hoowaki LLC（南卡罗来纳州彭德尔顿）的研发经理 Andrew H. Cannon 说，低成本材料上的微观结构赋予它们高成本材料的性能，该公司是一家商用挤压产品微观结构开发商。 Hoowaki 专注于通过工程微结构改造零件的表面结构。 “例如，我们正在使尼龙和 HDPE [高密度聚乙烯] 产品的性能优于 PTFE [聚四氟乙烯]，”Cannon 指出。 “另一个趋势是通过表面微结构工程提高当前产品的性能。有时我们可以在降低制造成本的同时提高性能。”
Hoowaki 开发了专有工艺，可以将工程微结构赋予曲面和平面工具的表面，Cannon 说。 “我们的应用程序开发和建模工作已经生成了一个数据库，其中包含数百个针对特定产品性能进行验证和测试的微型设计。我们用尽可能利用现有设计，并根据需要调整设计。”
Hoowaki 凭借其技术在 30 厘米长的半圆柱模具嵌件上创建了 400 纳米结构，他补充道。 “这与高公差非常不同，通常意味着创建正确的微结构以获得所需的性能，而不管微结构的几何形状是否一致，”Cannon 说。 “微制造中的一些主要工艺困难是以合理的成本在宏观区域维持微尺寸结构。 Hoowaki 为其客户提供工具，使他们能够利用低成本、高产量的模塑和挤压工艺来制造具有增强表面性能的产品。”
例如，医疗行业正在利用 Hoowaki 的微结构挤压技术以减少导管中的滑动摩擦。 “医疗行业也在使用 Hoowaki 技术降低低硬度材料的粘性，”Cannon 说，“电线和电缆行业正在使用我们的技术来简化电线安装。
“我们有一个客户通过使用模具和心轴将其当前导管的摩擦减少了 80% Hoowaki 微加工。他们向我们发送了挤压模具和心轴，我们对模具和心轴进行了微加工，设计用于在挤压产品上形成低摩擦表面，然后他们使用微加工模具和心轴挤压导管，”Cannon 补充道。 “我们 100% 交付了客户挤出下一代导管所需的一切。”
传统微加工
更多传统微加工系统，例如 Makino Inc.（梅森，俄亥俄州）的 iQ300 VMC ) 的目标是精密微加工，Vertical Machines Makino 产品线经理 Bill Howard 指出。 iQ300 精密微加工中心提供最新的 Makino 机器和主轴设计。 VMC 配备 45,000 rpm HSK-E32 主轴le 配备了公司获得专利的核心冷却、底圈和夹套主轴温度控制系统，几乎消除了高速加工过程中的热增长、变形或振动。
iQ300 的设计还包括一个铸铁Howard 说，Meehanite 刚性结构底座、线性电机而非滚珠丝杠设计、精密滚子导轨和 10 纳米、0.005 微米尺度反馈。 “使用直线电机的原因是您可以消除所有空转和反冲，使运动更加平稳，”霍华德说。 “所有这些元素协同工作，使我们能够达到 ±1 微米的定位精度和半微米的重复精度。”
连同先进的温度控制，机器的刚性有助于保持精度对于微加工应用，他补充说。 “我们建造的一切都是铸铁 Meehanite 型铸件。规模庞大的部分原因铸件的优点在于，如果您愿意的话，它可以用作提供热常数的散热器。该质量需要很长时间才能改变温度。现在，实际上，任何考虑使用 iQ 300 机器的人都已经在考虑将其置于受控环境中。”
该系统还通过 Oilmatic 装置进行温度控制，该装置调节主轴和机器的温度霍华德补充说，直线电机可维持系统的高精度加工。使用市售冷却器 Oilmatic 将温度控制在 ±1.8ºF [±-17ºC] 左右。 “实际上，我们在机器床身上放了一个热电偶，这样我们就可以监测床的温度，然后我们打开和关闭这个 Oilmatic 装置循环，以保持我们通过主轴输送的润滑，并保持机器的温度。主轴和直线电机，这样一切都是相同的温度——castings，直线电机的冷却，以及主轴的温度。从本质上讲，我们正在所有主要机床元素之间创建一个环境制造区。
“这是一个如此新的技术领域，人们正从两种不同的方式接近它，”霍华德说。 “我们正在从传统机床制造商那里着手，因为我们正在去除金属以获得公差。其他人正在添加化学沉积层并从无到有地构建零件以达到这些公差。他们实际上是一次建立一个原子或一层的公差。”
他补充说，许多客户将微加工技术用于非常小的组件，例如手机中的电池技术，以及用于医疗应用中的隔膜、泵和支架，仅供初学者使用。 “还有很多用于研发应用以及军事和专有技术，”How硬指出。 “在某些情况下，我们会与客户合作开发特定于其零件设计的流程。在其他情况下，设计细节可能非常敏感，以至于所有处理都由研发实验室在内部处理。”
微型填补了一个利基市场
如今越来越多的公司正试图通过生产更小的产品来找到自己的利基市场MC Machinery Systems Inc.（伊利诺伊州伍德戴尔）的 MC Milling 全国产品经理 Danny Haight 指出，它们是三菱公司的子公司，也是进口商Roku-Roku 微型加工线以及 Mitsubishi EDM、Mitsubishi Laser、MC Waterjet、MC Press Brakes 和 MC Milling 设备。
“我们始终教育我们的客户认识到，购买小型刀具并不意味着构成微制造，”海特说。 “显然，您必须使用一台结构精良、坚固且稳定的机器。该机器还必须具有可靠、高速、l低跳动主轴和用于受控刀具路径的正确 CNC。”
Haight 建议，刀柄必须严格平衡，跳动最小，并且刀具应该是具有适当涂层的优质硬质合金和几何形状以匹配被加工的材料，从刀具到刀具具有极高的精度和可重复性。 “拥有能够生成复杂的高速刀具路径并最大限度地减少刀具掩埋的软件势在必行，”他补充道。 “环境常常被忽视，因为制造商被要求保持越来越严格的公差并生产越来越小的零件——保持稳定的环境是关键因素。”
借助 Roku-Roku 的微加工技术，它是Haight 补充说，使用 0.004 英寸（0.102 毫米）球头立铣刀加工工具钢并不少见。 “我们在日本的应用部门已成功地在可加工陶瓷上钻出 0.0004 英寸（0.0102 毫米）的孔，”他指出，“我们可以实现使用合适的机器，位置到位置的精度小于 0.00002 英寸（0.00051 毫米）。” ME
本文最初发表于《制造工程》2013 年 1 月号。
