Rapid Micro Product Development (RMPD)

Summary: The article describes the ways of using Rapid Micro Product
Development (RMPD). RMPD permits the rapid manufacture of three
dimensional micro-structures, at a resolution which is unique
world-wide, either as a prototype or in series, and offers completely
new perspectives in construction and connection technology. Other
components (for example jewel bearings, microelectronics) can be
integrated during the production process. The technical possibilities
of RMPD are explained using the example of the production of the
microTEC flow sensor.

Micro-systems are becoming increasingly important in many fields. The
integration of innovative technologies represents an important basis
for ensuring the success of firms, and facilitates the development of
new products and shorter product cycles. Fast manufacturing in large
quantities is a requirement for the marketability of product and
process innovations. RMPD meets the needs of industry for the economic
production of micro-structures at a very fine resolution.  Rapid
parallel realisation of three-dimensional micro-structures The
development of stereo lithography in the 1980s led to savings in costs
in product development as a result of the new opportunities provided
by Rapid Prototyping. As a process developed in the sector of stereo
lithography, and in addition to cost savings achieved in the field of
product development, RMPD facilitates the effective production of
three-dimensional micro-structures in parallel manufacture.  This
production method makes it possible to harden a fluid material in
layers precisely as required. In this process, the structuring is
achieved photolithographically by means of the exposure of a resist.
By the overlaying in stages of several hardened layers it is possible
to generate a three-dimensional component which can, in principle,
attain any degree of complexity required.  This method of generation,
which does not involve the use of tools and is normally classified as
solid free-form manufacturing, offers important advantages.  For RMPD,
a CAD-CAM system forms the basis for the design and rapid manufacture
of virtually all kinds of micro-structures. The virtual model
displayed on the monitor is then produced as a prototype, or goes into
series production by means of parallel manufacture when a liquid
monomer is structurally polymerized in layers by exposure using an
Excimer laser.  A controlled laser beam moves over the preset surface
structures from one point to the next and in this way hardens the
liquid photoresist by photo initiation. The materials are acrylates
and epoxides. A characteristic of this basic material is that it only
hardens within the lasered surface parts (no shadow reaction). This
means that minimal line widths can be generated which are equal to the
width of the laser beam.  However, the amount of light plays an
important role in respect of the hardening depth and the hardening
profile. The higher the amount of light, the deeper and wider the
degree of hardening (Gauß beam). In consequence, the setting of the
exact intensity is especially important, because by means of this
specific parameters can be controlled, in particular the depth of
hardening.  As a result of using the generative nature of the
manufacturing process, component geometries can be generated which
cannot be achieved by the use of any of the traditional
micro-structure processes. In the field of construction and connection
technology, this method opens up completely new perspectives, because
other components (e.g. jewel bearings, microelectronics) can be
integrated during the actual process of growth. This is the basis for
innovations in micro-system technology and for the effective
miniaturisation of existing products. Just what RMPD is capable of was
demonstrated to international trade visitors at Micro Engineering 97
in Stuttgart.  For the first time, RMPD makes very fine resolution
possible The component is created in growth steps of less than 1µm
and resolutions of less than 10µm. The selected exposure surface
(e.g. circular, square etc) of the spot creates the maximum
resolution, and in consequence determines the line width and external
contour of the x-y plane. This means that a spot which is as small as
possible used in conjunction with small steps produces an ever more
precise approximation to an ideal outer edge. However, the geometry of
the spot also determines the shape of "free-standing vertical edges".
This means, for example, that when a circular exposure spot is used
(no x-y displacement) a cylinder is created with the longitudinal axis
in the z plane. The quality of the external edge in the z plane is
determined by the layer thicknesses of the individual levels.
Microstructures can be achieved for any required profile The use of
RMPD makes possible rapid manufacture of micro-structures for very
specific requirements in several different ways. For example, the
production of a micro-mixer takes 4 hours, and in the same production
time the micro-mixers manufactured in parallel for the series are also
being produced. If particular material characteristics are required,
it is, for example, also possible to metal-coat the micro-structures.
By exchanging the monomers during the production process,
section-specific mechanical characteristics can be achieved within a
product. One example of this integration is a micro-mixer with
flexible outlets and one rigid inlet.  Plastics with different
characteristics can be processed, making it possible to achieve
specially required optical, electronic and mechanical characteristics.
This means that product characteristics such as biocompatibility,
temperature stability etc. can be produced to satisfy clients' exact
needs.  For use in a wide range of fields RMPD offers a continually
increasing range of uses, such as in construction and connection
technology, in sensor technology - in particular fibre glass sensor
technology -, medical technology etc. It provides solutions to
problems in all fields wherever the rapid production of very fine
micro-structures is required.  Illustration 1.: Five-blade
parallel-manufactured wind-wheels (Photo: eye of science) Excerpt from
an article published in F+M (Carl Hanser Verlag, Munich, Germany)





Reiner Götzen, Duisburg
RMPD - Innovation für Mikrosysteme von microTEC

Zusammenfassung:  Der Artikel beschreibt die Anwendungsmöglichkeiten von
RMPD
(Rapid Micro Product Development). Es ermöglicht  die schnelle Herstellung

3dimensionaler Mikrostrukturen in weltweit einzigartiger Auflösung als
Prototyp
oder in Serie und bietet ganz neue Perspektiven für die Aufbau und
Verbindungstechnik, denn bereits während des Produktionsprozesses können
andere
Bauteile (z.B.  Lagersteine, Mikroelektronik) integriert werden

Mikrosysteme gewinnen in vielen Branchen zunehmend an Bedeutung.  Die
Integration innovativer Technologien ist für Unternehmen eine wichtige
Erfolgsbasis und ermöglicht neue Produkte und kürzere Produktzyklen. Die
schnelle Fertigung in größeren Stückzahlen ist eine Voraussetzung für die
Marktfähigkeit von Produkt- und Prozeßinnovation. Das RMPD (Rapid Micro
Product
Development) deckt den Bedarf der Industrie nach einer wirtschaftlichen
Produktion von Mikrostrukturen in sehr feiner Auflösung.


Schnelle parallele Realisation 3-dimensionaler Mikrostrukturen

Die Entwicklung der Stereolithographie in den achtziger Jahren brachte
durch die
neuen Möglichkeiten des Rapid Prototyping Zeit- und Kosteneinsparungen bei
der
Produktentwicklung mit sich. RMPD ermöglicht als Verfahren aus dem Bereich
Stereolithographie neben Kosteneinsparungen im Bereich Produktentwicklung
auch
die Möglichkeit der effektiven Produktion von 3dimensionalen
Mikrostrukturen in
paralleler Fertigung.

Mit diesem Fertigungsverfahren ist es möglich, ein fluides Material gezielt

schichtweise auszuhärten. Dabei wird die Strukturierung auf
photolithographischem Weg mittels Belichtung eines Photoresists
durchgeführt.
Durch schrittweises Überlagern mehrere ausgehärteter Schichten ist es auf
diese
Weise möglich, ein dreidimensionales Bauteil generativ aufzubauen, das
prinzipiell eine beliebige Komplexität erreichen kann. Diese Art der
werkzeuglosen Generierung, die allgemein unter dem Begriff
Solid-Freeform-Manufacturing eingeordnet werden kann, bietet ganz
entscheidende
Vorteile.

Für RMPD bildet eine CAD-CAM Anlage zur Konstruktion und schnellen
Herstellung
von nahezu beliebig geformten Mikrostrukturen bildet die Basis. Das
virtuelle
Modell am PC entsteht dann als realer Prototyp oder mittels paralleler
Fertigung
in Serie, indem ein flüssiger Monomer durch Belichtung mit einen Excimer
Laser
schichtweise strukturierend polymerisiert wird. Dabei fährt ein gesteuerter

Laserstrahl die vorgegebenen Flächenstrukturen Punkt für Punkt ab und
härtet auf
diese Weise durch Photoinitiation den flüssigen Photoresist aus. Die
Werkstoffe
sind Acrylate und Epoxide. Dieses Ausgangsmaterial hat die Eigenschaft, nur
die
bestrahlten Flächenteile auszuhärten (keine Schattenreaktion), was zur
Folge
hat, daß sich minimale Strichbreiten entsprechend der Laserstrahlbreite
erzeugen
lassen. Allerdings spielt die Strahlungsdosis eine entscheidende Rolle
hinsichtlich Aushärtetiefe und Aushärteprofil. Je stärker die Dosis, desto
tiefer und breiter (Gaußstrahl) resultiert die Aushärtung. Die Einstellung
der
exakten Intensität ist daher besonders wichtig, da hiermit die Steuerung
gewisser Parameter insbesondere die Aushärtetiefe, durchgeführt werden
kann.

Durch die generative Fertigungsweise lassen sich mit diesem Verfahren
Bauteilgeometrieen erzeugen, wie sie mit keinem der herkömmlichen
Mikrostrukturverfahren erreicht werden. Im Bereich Aufbau- und
Verbindungstechnik eröffnet das Verfahren ganz neue Perspektiven, dann
während
des Wachstumsprozesses können andere Bauteile (z.B. Lagersteine,
Mikroelektronik) integriert werden. Das ist die Grundlage für Innovationen
in
der Mikrosystemtechnik und die effektive Miniaturisierung bereits
vorhandener
Produkte. Auf der Micro Engineering 97 in Stuttgart wurde erstmals die
Leistungsfähigkeit von RMPD dem internationalen Fachpublikum präsentiert.


RMPD ermöglicht erstmals eine sehr feine Auflösung in einem generativen
Verfahren für 3-dimensionale Mikrostrukturen

Das Bauteil entsteht mit Wachstumsschritten unterhalb von 1µm und
Auflösungen
von weniger als 10µm. Die gewählte Belichtungsfläche (z.B.
kreisförmige, quadratisch etc.) des Spots ergibt die maximale Auflösung und
ist
somit verantwortlich für Linienbreite und Außenkontur der xy-Ebene. So
ergibt
ein möglichst kleiner Spot in Verbindung mit kleinen Verschiebeschritten
(Steps)
eine immer exaktere Annäherung einer idealen Außenkante. Die Geometrie des
Spots
bestimmt aber auch die Form "freistehender senkrechter Kanten". So erhält
man
bei z.B. kreisförmigem Belichtungsspot (keine xy-Verschiebung) einen
Zylinder
mit der Längsachse in z-Richtung. Die Güte der Außenkante in z-Richtung
wird
durch die Schichtdicken der einzelnen Ebenen bestimmt.


Mikrostrukturen für jedes Anforderungsprofil

Mit RMPD können Mikrostrukturen für ganz spezifische Anforderungen auf
unterschiedlichen Wegen sehr schnell hergestellt werden. Die Produktion
eines
Mikromischers dauert z.B. 4 Stunden, wobei in der gleichen
Produktionszeit auch die parallel gefertigten Mikromischer für die Serie
entstehen. Wenn besondere Materialeigenschaften gewünscht werden ist z.B.
auch
die Metallisierung der Mikrostrukturen möglich. Durch Austausch der
Monomere
innerhalb des Produktionsprozesses können bereichsspezifische mechanische
Eigenschaften innerhalb eines Produktes erreicht werden. Ein Mikromischer
mit
flexiblen Ausgängen und starrem Eingang ist für diese Integration ein
Produktbeispiel. Es ist möglich Kunststoffe mit verschiedenen Eigenschaften
zu
verarbeiten, so daß auf diese Weise speziell gewünschte optische,
elektronische
und mechanische Eigenschaften realisiert werden können.
Produkteigenschaften
(Biokompatibilität, Temperaturbeständigkeit usw.) lassen sich so ganz auf
den
Bedarf abstimmen.


Anwendungsmöglichkeiten in vielen Bereichen

RMPD hat sich ständig erweiternde vielfältige Anwendungsmöglichkeiten: z.B.
in
der Aufbau und Verbindungstechnik, der Sensorik insbesondere der
Glasfasersensorik, Medizintechnik usw. und bietet für alle Bereiche
Lösungsmöglichkeiten, die die schnelle Produktion sehr feiner
Mikrostrukturen
erfordern. [Bild 1]

Bild 1 zeigt fünflüglige parallel gefertigte Windräder (Foto: eye of
science)

Auszug aus einem Artikel der F+M (Verlag Carl Hanser, München, Deutschland)


Résumé : L'article décrit les possibilités d'utilisation du principe RMPD.
Celui-ci permet la création de microstructures en trois dimensions, soit
pour la
production d'un prototype soit pour la production d'une série, avec une
résolution unique au monde et offre de toutes nouvelles perspectives dans
la
technique de montage et des connexions internes. Pendant les procédures de
production d'autres composants peuvent être intégrés (par exemple : des
pierres
d'horlogerie, des éléments microélectroniques). Les possibilités techniques
du
principe RMPD vont être développées à l'exemple de la production d'un
détecteur
de flux de l'entreprise microTEC.
Les microsystèmes gagnent, dans de nombreux domaines, de plus en plus
d'importance. L'intégration de technologies innovantes est, pour les
entreprises, une base de succès très importante car elle permet la création
de
nouveaux produits et des cycles de production plus courts. La production
rapide
et en grande quantité est une des conditions préalables qui va permettre
aux
produits et aux procédures innovantes de répondre aux conditions du marché.
Le
principe RMPD (Rapid Micro Product Development) couvre le besoin de
l'industrie
au niveau d'une production économique de microstructures avec une
résolution
très fine.
Réalisation parallèle rapide de microstructures en trois dimensions.
Le développement de la stéréolithographie dans les années 80 a apporté,
grâce
aux nouvelles possibilités de productions rapides de prototypes, un gain de

temps et de coûts au niveau de la phase de développement d'un produit. Le
principe RMPD permet, en tant que procédure dans le domaine de la
stéréolithographie, non seulement de réduire les coûts dans le domaine de
la
production, mais également de pouvoir produire effectivement des
microstructures
en trois dimensions sur une production parallèle.
Grâce à cette procédure de fabrication, il est possible de durcir
progressivement et dans un but bien précis, un matériau fluide. La
structuration
va être effectuée, par le biais photolitographique, en exposant à la
lumière un
photorésist. En superposant progressivement plusieurs couches durcies, il
va
être alors possible de générer un composant en trois dimensions, qui peut
atteindre quasiment n'importe quelle complexité. Ce type de production, qui
ne
nécessite aucun outil et qui peut être classé sous le terme de , offre des
avantages très importants.
Un système CAD-CAM (construction et production par ordinateur), permettant
la
construction et la fabrication rapide de n'importe quelle forme de
microstructure, est la base du principe RMPD. Le modèle virtuel créé sur
ordinateur peut être réalisé sous la forme d'un prototype réel, ou fabriqué
en
série à l'aide d'une production parallèle, en polymérisant, couche après
couche
et de façon structurelle, un monomère liquide en l'exposant à la lumière
d'un
laser Excimer. Par cette méthode, un rayon laser commandé par ordinateur va

balayer les  surfaces structurelles, point après point et va, de cette
manière,
durcir le photorésist liquide par un procédé de photoinitiation. Les
matières
utilisées sont l'acrylate et la résine epoxyde. Ce matériel de base a la
propriété de ne durcir que sur les parties qui ont été passées au rayon
laser
(aucune réaction d'ombre) ; ce qui permet, par conséquent, d'obtenir des
largeurs de traits minimales, correspondant à la largeur du rayon laser.
Toutefois, l'intensité du rayon laser joue également un rôle important au
niveau
de la profondeur et du profil de durcissement. Plus l'intensité est forte,
plus
le durcissement sera profond et large (Rayon de Gauss). Le réglage de
l'intensité exacte est, par conséquent, très important étant donné que
celui-ci
commande certains paramètres, comme la profondeur du durcissement.
Grâce à cette nouvelle méthode de production, il est possible de créer des
géométries de composants qu'il était impossible d'obtenir par les
procédures de
production traditionnelles de microstructures. Dans le domaine de la
technique
de montage et des connexions internes, ceprocédé ouvre de toutes nouvelles
perspectives, étant donné que pendant la procédure de croissance d'autres
éléments peuvent être intégrés (par exemple : des pierres d'horlogerie, des

éléments microélectroniques). Ceci représente la base de l'innovation dans
la
technique des microsystèmes et la miniaturisation effective des produits
déjà
existants. Les capacités du principe RMPD ont été présentées à un public
spécialisé international, lors de la foire Micro Engineering 1997 qui s'est
tenue à Stuttgart.
RMPD permet, pour la première fois, une très fine résolution.
Le composant se forme sur plusieurs cycles de croissance, dont l'ordre de
grandeur se situe en dessous de 1mm et avec des résolutions inférieures à
10 mm.
La surface d'exposition du spot choisie (par exemple :
une forme ronde, carrée, etc.) déterminera la résolution maximale ainsi que
la
largeur des lignes et du contour extérieur du plan xy. C'est ainsi qu'un
petit
spot, en liaison avec un avancement progressif (steps), permet de se
rapprocher,
de façon toujours plus exacte, du bord extérieur. La géométrie du spot
détermine
également la forme.
Ainsi, il est possible d'obtenir avec, par exemple, un spot d'exposition
rond
(pas de translation xy) un cylindre avec un axe longitudinal dans le sens
z. Le
facteur de qualité du bord extérieur, dans le sens z, va être déterminé par
les
épaisseurs de couches de chaque niveau.
Il est possible de réaliser des microstructures pour chaque profil demandé.
Le principe RMPD permet de créer, rapidement et de différentes manières,
des
microstructures répondant à des demandes bien spécifiques. La production
d'un
micromélangeur  dure, par exemple, 4 heures ; tout en sachant que,
dans le même temps de production, le micromélangeur destiné à la production
en
série est fabriqué en parallèle. Lorsque des propriétés de matériel bien
spécifiques sont souhaitées, il est possible, par exemple, de métalliser
des
microstructures. En échangeant les monomères pendant la procédure de
production,
les propriétés mécaniques spécifiques à un domaine peuvent être obtenues
pendant
le cycle de production. Un micromélangeur équipé de sorties souples et
d'une
entrée rigide est un bel exemple de produit d'intégration. Il est également

possible de traiter des matières plastiques possédant différentes
propriétés et
ceci afin de pouvoir réaliser les propriétés optiques, électroniques et
mécaniques demandées. Les propriétés d'un produit (biocompatibilité,
résistance
à la température etc.) peuvent être entièrement adaptées à un besoin.
Possibilités d'utilisation dans de nombreux domaines.
Le principe RMPD permet de nombreuses possibilités d'utilisation,
continuellement en progression : par exemple dans la technique de montage
et des
connexions internes, dans la technique sensorielle, plus particulièrement
dans
la technique sensorielle de la fibre de verre, dans la technique médicale
etc.
et propose dans tous les domaines des solutions répondant aux exigences
d'une
production de microstructures rapide. [Figure 1].

La figure 1 montre des roues éoliennes à cinq ailes, fabriquées en
parallèle
(Photo : Eye of science)
Extrait d'un article de la revue F+M (Editions Carl Hanser, Munich,
Allemagne).