宏观与微观之间的制造挑战

通过 罗伯特·伍德

将纸张折叠成动态形状的经典方法(折纸,弹出书)启发了设计毫米级机器的方法。

工程

当前的问题

这篇文章从发行

2014年3月至4月

第102卷第2期
第124页

DOI: 10.1511 / 2014.107.124

构建像智能手机这样的复杂消费产品涉及解决 许多不同的工程挑战。最困难的之一 未被重视是规模挑战。

图片由作者提供。

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智能手机包含的组件尺寸范围从厘米(外壳和屏幕)到亚毫米(指示手机指向的方式的加速度计部件)到亚微米(处理器中的晶体管)。每个长度需要一套不同的材料和一套独特的组装技术。只有在解决了与规模有关的所有挑战之后,才有可能完成手机的最终“螺母和螺栓”。

大规模设计是消费者最关注的成品,而微电子技术往往在技术讨论中得到最大关注。但是,在中等规模上构建事物的方法实际上是最不发达的。由于基于物理和实用性的原因,宏观加工和装配中使用的技术不适用于具有毫米级特征的复杂设备。另一方面,集成电路派生的方法在几何形状和材料选择方面过于局限,无法创建多种毫米级的机器。这种尺寸范围的特征在几十微米到几十厘米之间,称为 中尺度。

我和我的同事们正在开发新颖的技术,可以在这些中间尺寸上实现更灵活,更高效的制造。最有前途的方向之一是一个过程从一个令人惊讶的灵感中产生:儿童弹出书。我们使用一些创新技术来使这些设备中的所有零件在制造过程中保持对齐,并采用一些复杂的接头和脚手架将平面设计自动折叠为复杂的几何形状。

缩小比例

为了达到中等规模,我们必须首先了解设备尺寸减小后的运行方式。一个典型的练习涉及分析它将经历的力量。例如,当所有尺寸均等缩放时,如果一个尺寸减小10倍,则体积减小1,000。因此,来自重力的力(与质量有关)也减少了1,000。但是,与周围物体摩擦产生的力仅会减小100倍,因为它取决于面积。因此,随着物体变小,诸如摩擦之类的表面力开始变得比重力重要得多。结果就是,随着比例的减小,由于摩擦而使轴和车轮产生平滑运动的旋转轴承的效率越来越低。效率降低和小规模制造的挑战相结合,推动了替代铰链等基于弯曲的运动替代方案。可以对流体力,电磁力,静电力和表面张力进行类似的比例分析。

芭芭拉·奥利奇诺(Barbara Aulicino)

正如力量和有效机制会随着规模的变化而变化一样,实用的制造方法也会随之变化。为了创建中规模的设备,我们首先检查了缩小现有宏规模流程的可行性,并将其中一些方法组合到新流程中。

前两幅图片由Sam Felton提供;底部图片Wikimedia Commons

通过沉积或添加材料层来创建结构的制造方法称为 加法过程。 3D打印就是一个突出的例子,在过去的几十年中,它在研究和商业环境中都发生了巨大的发展。市售的打印机使用各种材料和方法,从加热蜡的凝固到挤出可紫外线固化的聚合物的喷墨式打印机,再到立体光刻系统(使用紫外线激光来固化液态树脂层的立体光刻系统)和选择性地烧结的激光粉末成固体形式。这样的系统极大地减少了生成三维零件的进入门槛,甚至连铰接的机构都可以在一张印刷品中创建而无需组装。

商业3D打印机的主要缺点是原材料成本和材料质量。大多数打印机仅限于单一材料或单一类型的材料(通常是聚合物)。不管这些限制如何,3D打印机在工业原型开发和学术界的宝贵教育工具中都得到了广泛的采用。最近,“创客”运动(一种鼓励每天人们发明和创造的亚文化)通过创建设备的低成本版本,使对3D打印机的访问民主化。 3D打印机几乎可以负担得起家庭使用,并且其价格和采用趋势与现在几乎每个家庭和办公室中普遍使用的2D打印机相似。

3D打印的研究集中在扩展可打印材料的种类和探索可扩展性的限制上。扩大材料多样性是迈向关键的一步 单片 印刷设备-包括所有组件而无需任何额外组装的设备。最近已经展示了新型高性能聚合物,印刷导体,甚至是完整的电池。关于缩放,可商购的微型3D打印的一个示例是 双光子光刻, 它使用激光直接在聚合物中写入3D图案。亚微米分辨率是可能的,但是要花费厘米或更大尺寸比例的结构的构建时间。

对于任何逐层构造结构的附加工艺,在制造过程中,每个步骤中的位置误差都会累积。

直接沉积材料的增材制造的替代方法包括模制和铸造。这样的过程对于廉价的大量生产的组件有好处,但是对于亚毫米级,它们仍然需要专门的工具来制造模具。一个例外是 软光刻 这是出于对 微流体,其中的微观通道用于输送少量流体,是喷墨打印机和DNA分析芯片等设备的基础。软光刻利用了从集成电路制造中借用的一系列工具,并更加强调了使用表面特性来创建分层器件。首先,将光刻的集成电路技术用于图形化 光刻胶-例如,一层材料中的图案被光固化,未固化的部分被化学蚀刻掉。在这种情况下,光致抗蚀剂用作在柔性聚合物中产生特征的模具,​​或用作后续基于接触的材料沉积的印模。

该过程本质上是便宜的:它需要几十美元的材料,透明的掩模,最少的(和普通的)实验室设备以及清洁度适中的规格(与集成电路生产相比)。然而,软光刻导致准二维器件。要构建3D结构,需要使用用于对齐和粘合多层的方法,这可能会增加成本,复杂性和处理时间。同样,对于任何逐层构建结构的附加工艺,每次沉积迭代中的位置误差都会在制造过程中累积。这种担忧需要高保真位置反馈,或者随着构建中层数的增加,设备必须能够承受更多的错误。

拿走

建立设备的另一种方法是将它们雕刻成更大的部分,即所谓的 减法过程。 在宏观上,铣床可以具有大约1微米的可重复性和精度。但是,找到直径小于100微米的铣刀并不常见。要缩小到中尺度,需要切换到非接触式加工方法,例如激光,高压水或放电(其中两个电极之间的火花进行切割)。

同时出现的许多单折是受弹出书启发的我们流程的创新。

激光加工现在很普遍,并且具有适合中规模设备的特性。决定切割质量和合适材料的激光特性很多,但是最重要的加工参数是波长,脉冲持续时间和重复频率。

波长是可以加工的材料类型的决定因素,波长范围从紫外线的几百纳米到深红外线的10,000纳米。长波长有两个后果:较大的光点尺寸,从而导致较大的最小特征尺寸,以及对可加工材料类型的限制。红外范围内的波长会产生更多的热量,并且更适合于加工导热系数低的材料,例如聚合物和有机材料。如果功率足够高,某些金属也可以用红外激光加工。但是,对于铝等热导率非常高的金属,无法使用。

紫外线激光能够烧蚀范围更广的材料,包括金属,半导体和光斑尺寸约为1微米的纤维增强复合材料。与加热材料相反,较低的波长将更多的能量用于破坏化学键,通常可实现更清洁的切割,并且对周围区域的损害最小。紫外线激光器的缺点主要是由于成本高。

脉冲持续时间和重复率会影响切割速度和切割质量。可以使用从飞秒持续时间到连续波的脉冲操作的激光器。通常,对于每个脉冲相同的能量,脉冲持续时间越短,切割就越干净,因为热对流的时间更少。更快的重复率导致更快的切割,但是速度也受到光束传输系统及其在目标上移动的速度的限制。

水刀(高压流被推过一个小喷嘴以创建有力的切割工具)可以处理与激光相同的大多数材料,并且可用的最高分辨率约为几十微米。 “微”放电加工工艺还可产生大约10微米的特征尺寸,但仅限于导电材料。但是,可用于放电加工的金属范围包括难以用更常规的减法切割的硬质或硬化金属。

加倍

加法和减法都有其局限性,但它们并不互相排斥,因此有两种方法可以同时使用。考虑到缩小“螺母和螺栓”方法的挑战,这种组合对于微型和中型制造和装配尤为重要。需要将所有电气和机械功能都嵌入到单个设备中而无需手动组装的整体过程。

图片由Sam Felton提供。

印刷电路板就是一个很好的例子。尽管通常被认为纯粹是电气系统的基材,但是现代板是经过高度工程设计的复合材料,具有复杂的电气,机械和热学特性。印刷电路通常有几十层厚,带有电 通孔-连接堆栈中任意两层的垂直导管。制造这些复杂的复合材料都需要加法和减法工艺。

另一个例子是形状沉积制造。此过程遵循沉积循环(通常通过模制热固性聚合物)以及随后的机械加工。此循环可以无限重复,以包含更多材料或更复杂的几何形状,从而产生3D复合材料和基于挠曲的铰接机构。该方法的主要优点之一是能够在任何成型步骤中将离散的机电组件(例如传感器,致动器或电子设备)封装在设备内。

最后是微机电系统,或简称MEMS。这种状态下的设备范围从20微米到1毫米。它们是使用衍生自半导体器件的工艺制造的,并结合了表面加工和本体加工以去除材料和重复进行材料沉积步骤。通过将通常用于构建微芯片的整个硅晶片粘合在一起,可以创建分层的设备。尽管高深宽比微加工技术已取得重大进展,但MEMS仍主要是平面工艺。为了克服大多数MEMS工艺的“ 2.5D”特性,研究人员开发了一些巧妙的方法来从表面微加工的多晶硅层构造铰链。这种进步代表了折叠的一些最初用途,以创建毫米级的拓扑复杂的机制。但是我和我的同事开始意识到折叠的潜力更大。

知道何时折叠

在我们的实验室中,我和我的同事们发现,与其他组装方法相比,折叠具有许多可能的好处,例如单件构造的潜力和2D加工方法的相对简单性。此外,可作为设备中结构部件的折叠梁有效地利用了材料,并且与实心梁相比具有较高的刚度重量比。此外,从准二维片材开始,使电气组件的集成变得无足轻重,因为可以使用标准的拾取和放置印刷电路板组装工具。

图片由作者提供。

实际上,印刷电路板本身不限于2D结构。现在,薄薄的基于聚酰亚胺的柔性电路已成为现代电子产品中的折叠组件。这些组件中的一些组件被设计为仅折叠一次,例如使板适合不规则形状,例如上面的智能手机示例。在其他情况下,柔性部件可以重复移动,例如在磁盘驱动器的读写电路中。迄今为止,这些褶皱已经 连续折叠 一个步骤接一个步骤,例如折叠一架纸飞机。扩展到 平行折叠 在设备的不同位置同时发生多个单折的地方,这是受弹出书启发的创新工艺。这项创新是必要的,因为我们的研究人员正在通过折叠来制造小型机器人,但是手工完成组装却很乏味且缺乏可重复性。在与我当时的两个研究生Pratheev Sreetharan和Peter Whitney的对话中,我们认为必须有一个更好的解决方案-一种能够反映出现在儿童弹出式书本中的折叠结构的复杂性,并且创建起来也很容易(即,只需翻动页面即可将所有内容弹出。)

一个明显的问题是,仅通过折叠我们就能创造多少形状的多样性。幸运的是,计算机科学家已经证明,任何多面体都可以折叠在一张连续的纸上。此外,通过控制多面体的规格,我们几乎可以创建任何链接机制。仅通过折叠来创建机制的唯一明显限制是缺乏连续旋转的接头-挠曲具有由几何形状和材料属性定义的有限范围。

类似于折纸的技术已被用于创建具有数千折痕的复杂雕塑,但是它们需要人工进行大量工作。从蛋白质结构的折叠到叶子和昆虫的翅膀首次出现时的展开,已经证明了类似的折叠机制在自然界是普遍存在的。工程系统中也有许多应用,包括降落伞包装,卫星上展开的太阳能电池板以及可快速部署的避难所。对于工程系统,繁琐的手动折叠的替代方法包括使用气动或液压装置来扩展和成形设备,以及使用带有 形状记忆 甚至在被限制后仍会恢复其原始形状。但是,挑战的一部分是使其在对制造有用的规模上起作用,尤其是在中观规模上。

通过折叠组装的另一个重要问题是如何设计折叠的结构和机构。折纸历来生活在艺术领域,最令人印象深刻的作品是来自少数经验丰富,才华横溢的个人,而不是快速机械设计的实际来源。在创建可在给定3D几何形状的情况下自动生成折叠图案的设计工具方面已经取得了进展。但是,这些工具当前与用于已建立的程序(例如集成电路制造)的工具的级别不同。

最后的潜在挑战不仅在于创建静态折叠结构(即无法移动的结构),还在于设计可通过折叠组装的铰接机构。这需要两种类型的折叠: 静态装配折叠 用于定义几何和结构特性,以及 动态褶皱 是用于约束沿所需轴运动的挠曲。这个目标是设计自动化工具的又一个挑战,可能涉及高度复杂的运动学(定义将设备“展开”为通过折叠制造所需的2D折痕图案的逆运动学可能会更加困难)。

弹出式机器

受折叠能力以及最佳增材和减材工艺中的拉伸技术的启发,在过去的几年中,我们开发了一种新的制造范例,称为 弹出书MEMS。该过程包括三个步骤:批量微加工或介观加工,层压以及折叠自动组装。第一步,可以通过任何非接触式加工方法将图案切成薄薄的材料片(介于1微米和几百微米之间),但是由于材料的非特异性,速度和最小的特征尺寸,我们通常使用紫外线激光。与其他过程不同,可以包括任何材料:金属,聚合物,陶瓷和复合材料。

芭芭拉·奥利奇诺(Barbara Aulicino)

第二步将所有构成材料层层压到一个准2D复合片中。第一步的两个方面使这成为可能:不仅加工功能层,还加工用于将各层粘合在一起的自支撑薄膜粘合剂。另外,在第一步中在每层中都切出孔,以允许使用销钉在层压过程中对齐。固化过程中的永久销对齐解决了在添加更多层时累积的空间误差的问题。前两个步骤与多层印刷电路板组件有许多相似之处。

最后一步将2D复合材料折叠为所需的3D结构或机制。该步骤与串行折纸折叠或柔性电路板的根本不同。取而代之的是,我们从儿童弹出式书本的平行折叠中汲取灵感,这些书本通过单一移动方向(通过打开和关闭书本来创建)来组合复杂的几何形状。这样可以并行进行构造,从而消除了大多数工厂车间所特有的基于技能的串行构造,并且摆脱了增材和减材装配工艺的局限。它也使组装不再需要在显微镜下手工完成(使“带镊​​子的研究生”范例永存)。

图片 由Andrew Baisch提供。

弹出式组装中的中心结构是机械过孔,类似于多层印刷电路板中的电气过孔,它们将任意两层相互连接。用于在这些设备中组装层的薄膜粘合剂可以独立放置,也可以机加工。整个复合材料的典型子结构由外部刚性层组成,这些外部刚性层将薄的柔性聚合物夹在中间,并与粘合剂层粘合。外部复合材料层中的间隙(暴露出薄聚合物)导致柔性接头完全包含在层压板的厚度内,可以折叠成静态结构或铰接机构。可以组合任意数量的这些链接层以创建任意复杂的机制。

图片由Pratheev Sreetharan提供。

RoboBee原型的组装说明了我们可以通过此过程实现的复杂性的一个示例。在此示例中,RoboBee的功能组件是与组装支架同时创建的,该组装支架控制组装过程中所有组件的运动。从底部下方向上推动的销钉展开基于挠曲的连杆,从而抬高顶部支架,从而激活其他机制以将设备折叠成形状。连接多个连杆会产生复杂的运动,因此,设备的一部分可以保持水平,而其他部件则向上折叠。仍连接到支架的组件被浸入一个电镀槽中,该电镀槽电镀设备上的金属点,将其锁定在形状中,以便可以将其从支架上卸下。 (以下是该过程的视频。)

弹出书的MEMS工艺具有很多好处。首先,因为我们要分别加工每个层,然后使用单独的粘合剂进行粘合,所以可以使用任何材料组合(只要我们选择与所有材料兼容的粘合剂)即可。纤维增强复合材料可用于高刚度和低重量。电活性材料可用于制造传感器或执行器。生物相容性材料可用于医疗应用。

图片由凯文·马(Kevin Ma)提供。

其次,该过程具有内在的可扩展性,既可以向上又可以向下。迄今为止,我们已经使用了大约10微米斑点大小的紫外激光。但是,考虑到更小的激光光斑大小或替代的2D微加工方法,可以大大降低此限制。在较小的特征尺寸下,独立式薄膜粘合剂将难以加工,因此我们可能不得不采用其他粘合方法,例如液体粘合剂。

第三,具有任意几何形状的结构和具有任意数量的自由度的机构能够通过折叠来组装。唯一的限制是缺少自由旋转的接头,但是通过选择适当的铺层和几何形状以在层压板中创建旋转轴承,甚至可以消除此限制(如果不考虑摩擦)。

最后,该过程是廉价的,部分是由于缺乏执行该过程步骤所需的大量基础设施。此外,该过程的制造方面非常快。完整的机电系统可以在数小时内创建,并且可以将多个副本排列在层压板的平面中或彼此堆叠在一起,这为批量生产提供了自然的途径。

使它起作用

弹出式书MEMS工艺的起源源于微型机器人的组装,例如微型机械飞行昆虫(Micromechanical Flying Insect),它是受家蝇启发的机器人微型飞行器,由加利福尼亚大学伯克利分校的罗恩·费林(Ron Fearing)小组设计。它的目标是最大直径为25毫米,并在自己的力量下盘旋。从2000年代初期到2000年代中期的机器人昆虫项目的早期阶段,很明显MEMS和宏观制造方法都不适合用规模的机器人实现飞行所需的机械,结构和执行器。家蝇。选择层压或折叠梁作为结构构件,并通过顺应挠曲实现铰接。但是同样,所有折叠都是手工完成的。此过程还有一个更微妙的缺点-组装困难,可重复性差,导致机器人开发人员在设计上比较保守。

图片由Kevin Kevin和Pakpong Chirarattananon提供。)

弹出式书MEMS工艺在一定程度上满足了传奇物理学家理查德·费曼(Richard Feynman)在1959年的演讲“底部有足够的空间”中所作的预言,有关小型机器人甚至是小型机器人的说法。例如,在“微机械飞行昆虫”之后,我们开始了RoboBees项目,为此我们能够在一两个组装步骤(取决于设计的复杂性)中构造整体式机器人,其中脚手架充当了那只手的小手。机器人的各个部分。该示例利用了弹出制造的许多优点:只需对组件进行最少的灵巧操作即可创建复杂的结构和铰接的机构;电活性物质直接包含在叠层中,从而导致机器人的“飞行肌肉”;层压板由多种材料组成。

任何数量的自由度的结构和机构都可以通过折叠组装。

最近,使用弹出书MEMS工艺创建的设备范围已得到极大扩展。这样的例子包括可以快速调查灾区或进行环境监测的飞行和陆地昆虫类机器人,以及外科手术设备,新型中尺度致动器,受生物启发的传感器,以及多种多面体和并联机构,这些机器人很难或难以做到。无法通过其他方式建造。

中尺度制造的这些进步为消费电子,生物医学设备,按需工具以及研究和教育中的无数应用打开了大门。但是,广泛使用仍然存在许多障碍。基础架构成本和设计专业知识仍然使此处讨论的许多方法对于新手用户来说都是一个挑战。

解决方案的线索来自集成电路的历史,以实现更普遍地进入中规模制造。在1980年代初期,美国国家科学基金会和国防部资助了一项名为MOSIS(金属氧化物半导体实施服务)的服务,该服务充当通往多个集成电路代工厂的门户。任何研究人员都可以使用定义明确的集成电路制造工艺中的少量晶圆资源。因此,研究人员可以以最低的成本(与完整运行的成本相比,或者自己投资基础架构)和高度精炼的流程标准来生成原型,可以通过其设计工具简单地提取其细节。

随着MOSIS服务的发展,自动化通用功能的设计工具也随之发展,通常使新手用户更容易生成新的设计和知识产权。除了在制造过程中提供服务所带来的明显好处外,MOSIS还建立了一个充满活力的用户社区,进而推动了工艺的极限,开发并传播了新的设计和设计规则,并总体上建立了推动发展的知识基础。电子设备的普及正在我们的日常生活中不可或缺。

相似的轨迹同样可以帮助多尺度,多材料,整体式机电设备的开发人员。考虑到诸如弹出书MEMS之类的流程的基础设施成本相对较低,并且具有建立标准化流程的动力,因此存在巨大的机会来建立类似于MOSIS的系统,使流程可访问。但是光靠铸造厂和工艺是不够的。设计规则和自动化工具(例如计算机辅助设计软件)必须同时发布。

廉价,灵活的整体式制造系统更引人入胜的后果之一是,它可以激发富裕的用户群体,从而吸引快速发展的“制造商”运动。就像电子爱好者从1970年代开始修补集成电路一样,如今的制造商对于建立设计库和寻找弹出式装配的新颖应用可能至关重要。几十年后,也许人们将像现在打印数码照片一样容易地制造自己的小型机器人。

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