MICROMECANIZADO La creciente demanda de productos de gran precisin ha convertido a la Microingenieria en uno de los campos mas atractivos para investigadores y emprendedores de todo el mundo [1]. La microingeniera se refiere a la tecnologa y practica de fabricar estructuras tridimensionales y dispositivos con dimensiones del orden de micrmetros. Las dos tecnologas de construccin de la microingeniera son la microelectrnica y el micromaquinado. La microelectrnica produce circuitos electrnicos en chips de silicio, y es una tecnologa muy bien desarrollada. Micromaquinado es el nombre de las tcnicas usadas para producir las estructuras y partes mviles de los dispositivos microconstruidos. Cuando se consideran dispositivos pequeos, una gran cantidad de efectos fsicos tienen significado diferente a escala micromtrica respecto a la escala macroscpica. El inters en la microingeniera ha producido un renovado inters en diversas reas que tratan con el estudio de esos efectos a escala microscpica. Esto incluye reas como la micromecanica, la cual analiza las partes mviles de los dispositivos microconstruidos [2]. Un producto pertenece al mbito de microfabricacion cuando al menos una de sus caractersticas funcionales en una dimensin es del orden de micras. La microfabricacion se caracteriza por tener unas tecnologas diferentes a la macroscpica por requerir una mayor precisin para la fabricacin ya que a simple vista no podemos observar a simple vista las posibles imperfecciones que pueden ocurrir en el proceso. Las tecnologas ms comunes en el micromecanizado son las siguientes [3]: 1. MST (MicroSystems Technology): tecnologa de miniaturizacin de componentes basados en silicio. 2. MEMS (MicroElectroMechanical Systems): subconjunto de MST, que designa productos con componentes elctricos y mecnicos. 3. MET (MicroEngineering Technologies): tecnologas de fabricacin de productos con geometras 3D de gran precisin en gran variedad de materiales.

Clasificacin de tecnologas de fabricacin [3]: 1. Procesos MEMS: Micromecanizado en volumen Micromecanizado superficial Liga y micromoldeo 2. . Procesos asistidos energticamente: Mecanizado por haz lser Mecanizado por microelectroerosin Mecanizado por haz de electrones / iones 3. Procesos mecnicos: Microfresado, microtaladrado, microrrectificado Micromecanizado con diamante 4. Tcnicas de replicado: Microconformado Microinyeccin de plsticos Estampado de precisin en caliente (hot embossing) MIM (Metal Injection Moulding)

TECNOLOGAS DE MICROFABRICACIN (MET) En sectores distintos de la microelectrnica, no existen tecnologas bien establecidas para fabricar microcomponentes en materiales diferentes al silicio. Por este motivo, se ha adoptado el trmino MET (MicroEngineering Technologies) para referirse a la fabricacin de productos con geometra 3D de gran precisin en una variedad de materiales [4], con tamaos que van desde dcimas de micra hasta unos pocos milmetros (Figura 1).

Figura 1. Escala y precisin en procesos de micromecanizado [5]. Adems de los anteriores trminos, los trminos generales que se adoptar referirse a las tecnologas de miniaturizacin de componentes sern microingeniera (concepto y diseo) y microfabricacion (creacin fsica del producto). Se entiende que un producto pertenece al mbito de la microfabricacion

cuando al menos una de sus caractersticas funcionales en una dimensin es del orden de micras. Finalmente, antes de proceder a la descripcin de las tecnologas de microfabricacion existentes, conviene aclarar que si bien la precisin absoluta que se puede alcanzar en procesos de microfabricacion es excelente (del orden de 1 mm), la precisin en relacin al tamao es bastante pequea. Por ejemplo, en procesos de mecanizado convencionales, se pueden obtener precisiones relativas de 10-6, valores inaccesibles en micromecanizado mecnico. Para clarificar este concepto, en la Figura 2 se muestra grficamente el orden de tamaos, precisiones absolutas y precisiones relativas que se puede alcanzar en ambos procesos. Se observa que, para componentes muy pequeos, la tolerancia relativa es aproximadamente igual a la que se obtiene en la fabricacin de una casa (del orden del 1%).

Figura 2. Tamao, precisin absoluta y precisin relativa en mecanizado de precisin [6]. PROCESOS MEMS Los procesos de fabricacin relacionados con los Sistemas Micro Electro Mecnicos (MEMS) y los sectores de la microelectrnica se basan en tecnologas planas o 2D. Esto conlleva que se produzcan componentes o productos dentro o sobre obleas planas.

Los componentes MEMS parten de una oblea preparada normalmente de silicio, limpia y oxidada. Una vez preparada, las obleas se procesan generando estructuras en capas diferentes. Esta estructuracin consiste en proyectar mediante tcnicas fotogrficas la estructura deseada sobre una capa fotosensible que cubre la oblea, seguido de un proceso qumico o fsico que elimina o aade material con el fin de crear una estructura [4]. El diagrama bsico del proceso de micromecanizado MEMS se muestra en la Figura 3.

Figura 3. Diagrama de flujo tpico para la fabricacin de MEMS. La microfabricacion de MEMS se divide actualmente en tres tecnologas principales que son el micromecanizado en volumen, el micromecanizado superficial y el micromoldeo (LIGA). Estas tcnicas agrupan diferentes tecnologas previamente mencionadas.

MICROMECANIZADO EN VOLUMEN En los procesos de micromecanizado en volumen, parte de la pieza inicial (substrato) se elimina con el fin de crear estructuras mecnicas libres de contacto, como estructuras en voladizo o membranas, o estructuras tridimensionales, como cavidades o agujeros que atraviesan la oblea mediante el uso de reactivos dependientes de la orientacin (isotrpicos) y/o independientes de la orientacin (anisotrpicos). El micromecanizado en volumen se puede aplicar en piezas de silicio, vidrio, arseniuro de galio u otros materiales de inters [7]. Esta tcnica fue la ms empleada en la industria de los circuitos integrados y, por lo tanto, ha sido una de las primeras tecnologas en adaptarse y emplearse en la microfabricacion de MEMS [6].

MICROMECANIZADO SUPERFICIAL A primera vista, el micromecanizado superficial puede resultar bastante parecido al micromecanizado en volumen. Sin embargo, existen varias diferencias claras entre estas dos tcnicas. En el micromecanizado en volumen, la estructura tridimensional se genera por medio de un ataque selectivo del substrato, mientras

que, en el micromecanizado superficial, la estructura se construye mediante deposiciones capa a capa. Adems, en el micromecanizado superficial, las geometras en el plano X-Y no estn limitadas por las orientaciones cristalogrficas como es el caso del micromecanizado en volumen.

LIGA Y MICROMOLDEO El mtodo LIGA es una combinacin de procesos empleados en la fabricacin de microestructuras de elevado ratio de forma con profundidades en el rango del milmetro, precisiones laterales por debajo de la micra y rugosidades muy pequeas (vase Figura7e-f). Esta tcnica permite fabricar una gran variedad de materiales, desde polmeros, metales o aleaciones hasta cermicas. El mtodo Liga se desarrollo en el centro Forschungszentrum Karlsruhe (Alemania) y viene a significar Lithographie (litografa) Galvanoformung (electrodo deposicin) y Abformung (moldeo), los cuales son los principales pasos que se dan en este proceso. En el mtodo Liga original, se emplea primeramente la litografa de rayos X sobre un substrato conductor recubierto con PMMA. Las cavidades son rellenadas posteriormente con metal mediante la tcnica de electrodeposicin. Finalmente la estructura de metal resultante se emplea como molde en el sinterizado cermico o replicado de plstico (estampado en caliente o inyeccin).

PROCESOS ASISTIDOS ENERGTICAMENTE Los procesos asistidos con energa, denominados de forma similar procesos electro-trmicos, se clasifican en mecanizado por haz lser (LBM, Laser Beam Machining), microelectroerosin (MicroEDM, Micro Electro Discharge Machining), mecanizado por haz de electrones (EBM, Electrn Beam Machining), mecanizado por haz de iones focalizado (FIB, Focused Ion Beam) y mecanizado por haz de plasma (PBM, Plasma Beam Machining).

MECANIZADO POR HAZ DE LSER (LBM) El uso de la tecnologa lser (LBM) en el mecanizado de materiales para la fabricacin de microproductos ha sido estudiada durante la ltima dcada [46-4748] y se presenta, a da de hoy, como una tecnologa ampliamente insertada en el mundo industrial. La aplicacin de la tecnologa lser a procesos de microfabricacion se encuentra en una zona de precisin intermedia que la convierte en una tecnologa de elevada demanda en funcin del volumen de componentes para cuya fabricacin ser previsiblemente aplicada. Las herramientas basadas en el empleo del lser proporcionan alternativas de fabricacin particularmente interesantes a escala microscpica. En particular, la

posibilidad de utilizar el lser como herramienta de precisin ofrece una alternativa ventajosa en la realizacin de procesos de microfabricacion tales como corte, soldadura, taladrado, marcado, ablacin y conformado, procesos por otra parte tradicionales entre las aplicaciones industriales de los lseres de potencia. La precisin en el dominio micromtrico debe ir acompaada de unas reducidas cargas trmicas y mecnicas con relacin a los procesos tradicionales de fabricacin de componentes de igual tipo a mayor escala. La microfabricacion con lser representa, por tanto, un desafo para los ingenieros mecnicos, los especialistas en tecnologa lser y los expertos en ciencia e ingeniera de materiales. Los materiales que ms se emplean en la produccin de microproductos son metales, cermicas, vidrio, polmeros y semiconductores, siendo posible su mecanizado mediante una o varias tecnologas lser diferentes. El desarrollo de las aplicaciones industriales de los lseres en tareas de micromecanizado, que requieren de longitudes de onda cada vez ms cortas a medida que el grado de miniaturizacin aumenta, queda actualmente al alcance tanto de los lseres de excmero como de los lseres de estado slido multiplicados en frecuencia (tpicamente Nd: YAG con moduladores de pulso, ya bombeados por lmparas de gas noble o por fotodiodos de emisin en el infrarrojo cercano). La utilizacin de longitudes de onda cortas ofrece ventajas importantes en el micromecanizado de ciertos materiales, pudindose conseguir elevadas razones de aspecto (hasta 50:1) en el mecanizado de piezas relativamente gruesas. MECANIZADO POR MICROELECTROEROSIN (MEDM) El mecanizado por electroerosin es una tecnologa de fabricacin relativamente lenta, que se ha empleado tradicionalmente en el mecanizado de geometras no convencionales en metales duros y frgiles. El material se elimina al hacer saltar chispas elctricas a frecuencias elevadas (fundindose y evaporndose parcialmente material de la pieza), generadas emitiendo pulsos de elevado voltaje entre la herramienta (ctodo) y la pieza (nodo), siendo la polaridad invertida en operaciones de acabado de microelectroerosin. Tanto la pieza como la herramienta estn sumergidos en un fluido dielctrico [6]. El proceso exige que la pieza sea conductora aunque su dureza no es crtica. Los electrodos que se fabrican son normalmente de grafito, cobre o incluso plata. Las tecnologas tpicas que se pueden diferenciar dentro del MEDM son la electroerosin por hilo (WEDM), electroerosin por penetracin (SEDM), taladrado por electroerosin, fresado por electroerosin y rectificado por electroerosin con hilo (WEDG). Las tecnologas WEDM y SEDM son las ms empleadas de entre todas ellas. En el proceso de WEDM se emplean a da de hoy hilos (electrodo) muy finos de dimetro hasta 20 mm. Este proceso se emplea mayormente en el mecanizado de geometras regladas y fabricacin de electrodos [4].

Respecto a la tecnologa SEDM, la fabricacin de los electrodos es una etapa de gran importancia debido a que define la calidad de las geometras mecanizadas. El electrodo-herramienta se puede modelar bien con la forma de la cavidad deseada o bien con una geometra sencilla, evitando de este modo el desgaste notable que sufre el electrodo durante el mecanizado. MECANIZADO POR HAZ DE ELECTRONES (EBM) La eliminacin de material mediante haz de electrones es otra de las tecnologas en auge. En lugar de hacer saltar arcos elctricos, este mtodo emplea un haz focalizado de alta velocidad de electrones, el cual funde y vaporiza el material. La tecnologa EBM se emplea para la escritura sobre una clula electrosensible o para crear variaciones superficiales del material. Las tcnicas bsicas estn muy desarrolladas para la produccin de mscaras de los circuitos integrados y especialmente para la fabricacin de estructuras superficiales, como por ejemplo la ptica binaria. El dimetro transversal tpico del haz de electrones est comprendido entre 10 y 200 mm para el punto de focalizacin sobre la pieza [6].

MECANIZADO POR HAZ DE IONES FOCALIZADOS (FIB) Algunos autores clasifican la tecnologa FIB como una tecnologa puramente mecnica, en la cual la punta de la broca se reemplaza por un haz de iones altamente energticos. Se emplea una fuente lquida de iones metlicos, por ejemplo galio, obteniendo dimetros de haz por debajo de la micra en la zona focalizada [6]. El mecanizado por haz de iones focalizados es una tecnologa idnea para el mecanizado de estructuras de dimensiones muy reducidas, detalles muy finos e incluso estructuras en 3D, gracias al dimetro de haz de 10-50 nm. Los iones son dirigidos y focalizados desde una fuente de plasma sobre la superficie donde se elimina el material.

PROCESOS MECNICOS Los procesos mecnicos se emplean principalmente en la fabricacin directa de pequea cantidad de componentes de precisin. Dentro de estos procesos se agrupan los procesos de microcorte, microrectificado y mecanizado ultrasnico. Entre los mayores problemas para alcanzar la precisin requerida en procesos de mecanizado se pueden citar la deformacin de la pieza y herramienta, vibraciones, deformacin trmica e inexactitudes de la mquina [6].

PROCESOS DE CORTE Los procesos de microcorte se caracterizan por la interaccin mecnica de la herramienta con la pieza. Esto origina la separacin del material en las zonas de interaccin y el material se elimina en forma de viruta. Las tecnologas de microcorte deben cumplir que la herramienta sea de mayor dureza que la pieza y que adems no sufra difusin activada trmicamente entre la herramienta y la pieza [4]. Las tecnologas de microcorte ms habituales son el torneado con diamante, fresado con diamante, microfresado, taladrado con diamante y pulido con diamante de estructuras. El microcorte presenta la gran ventaja de que las herramientas en estos procesos contactan con la pieza y existe una gran correlacin geomtrica entre las trayectorias de la herramienta y la superficie generada. El mayor inconveniente de estos procesos es el efecto de las fuerzas de mecanizado en la precisin y el lmite del tamao de mecanizado debido a las deformaciones elsticas existentes tanto en la microherramienta como en la pieza. Torneado con diamante: El micromecanizado presenta cada da mayor importancia, siendo una de las tecnologas ms adecuadas para la fabricacin de componentes de microptica. El torneado de diamante es muy empleado en la fabricacin de elementos pticos no esfricos de elevada calidad para vidrio, cristales, metales, acrlicos y otros materiales. Algunas de las aplicaciones de los elementos pticos generados en el torneado de diamante son el montaje ptico de telescopios, proyectores de TV, sistemas gua de misiles e instrumentos para investigacin cientfica. La alineacin de la herramienta es uno de los parmetros clave del torneado de diamante para conseguir la calidad deseada (errores de inclinacin en los planos X-Y, X-Z y Y-Z).

Diamond turning.

Torneado con diamante. Fresado con diamante: El fresado con diamante se puede dividir en dos tipos de procesos a la hora de generar microestructuras; el fresado circunferencial (denominado como fly cutting, que emplea herramientas de diamante monocristalino en forma de V) y el fresado con punta de bola. Las aplicaciones comunes del fresado circunferencial son microprismas y matrices de reflectores, mientras que entre las aplicaciones del fresado de punta de bola se encuentran los cilindros repujados. Microfresado: El micromecanizado tradicional utiliza materiales de fabricacin tales como el acero, el aluminio, el latn, etc. Con las herramientas de carburo de wolframio es capaz de satisfacer muchas de las demandas de los componentes miniaturizados. Muchos procesos de microfabricacion carecen de la capacidad para conformar materiales diferentes del silicio o el plstico, y no son apropiados para generar geometras tridimensionales de tamao pequeo y medio. Mandrinado con diamante: En algunas aplicaciones especiales, el torneado y el fresado empleando herramientas de diamante monocristalino pueden no ser muy tiles debido a sus limitaciones geomtricas y cinemticas. Por ello, se ha desarrollado el mandrinado de contornos con diamante para la fabricacin de micromoldes para ptica.

Contour boring with half-arc monocrystalline diamond tools.

a b Polishing of structures: (a) pin-type tool; (b) wheel-type tool. Pulido: Si la calidad superficial de moldes de alta precisin para la fabricacin de elementos pticos no es suficiente para satisfacer las crecientes demandas en lo referente a rugosidad superficial y forma, una operacin posterior de pulido puede ser necesaria.

MICRORECTIFICADO El microrectificado se aplica en la fabricacin de piezas de precisin de materiales de elevada dureza; lentes para gafas, silicio, cermicos, etc. Sus aplicaciones principales son la fabricacin de vstagos, ranuras y microcavidades de dimensiones del orden de la micra. El microrectificado tiene ciertas restricciones en cuanto a tamao y forma de muela, limitando la calidad, geometra de micropiezas y superficies mecanizadas obtenibles. Adems, la dificultad de fabricacin de muelas y su preparacin (incluyendo el diamantado) tambin reduce de manera significativa la aplicacin del microrectificado en la microfabricacion a gran escala.

TCNICAS DE REPLICADO En muchos casos el objetivo de la fabricacin es la produccin en serie. La produccin en serie de micropiezas y microestructuras de manera econmica se consigue principalmente mediante tcnicas de rplica como la microinyeccin (MIM), el estampado de precisin en caliente (hot embossing) y el micromoldeo. No obstante existen varias tcnicas de conformado en estado incipiente (forjado en fro, doblado, punzonado, extrusin, etc.) que se estn desarrollando rpidamente y podran presentar un futuro prometedor.

MICROINYECCIN (MIM) El MIM consiste en calentar un material termoplstico hasta que se funda e inyectarlo mediante una presin de inyeccin controlada en la cavidad de un micromolde hasta su solidificacin. La Microinyeccin por compresin y la inyeccin de paredes finas son dos buenos candidatos MIM para la microfabricacion [6].

ESTAMPADO DE PRECISIN EN CALIENTE (HOT EMBOSSING) El proceso de estampado en caliente de polmeros termoplsticos se basa en el flujo plstico de un material alrededor de una herramienta de geometra inversa a la pieza deseada. Primeramente el material se calienta hasta un punto intermedio entre la temperatura de transicin vtrea (Tg) y la temperatura de fusin (Tf), y despus la herramienta se presiona contra el material uniaxialmente. Se suele utilizar una mquina similar a una prensa. La mquina desarrolla una fuerza de estampado del orden de 5 a 20 toneladas. El estampado de precisin en caliente presenta varias ventajas frente al MIM, tales como el relativo bajo coste de las herramientas de estampacin, la simplicidad del proceso y una alta precisin en el conformado de piezas pequeas. Sin embargo, tiene el inconveniente de generar tensiones residuales elevadas y ser slo aplicable a piezas con radio de forma.

MOLDEO El moldeo es un mtodo atractivo de prototipo rpido para el desarrollo de nuevos productos. Esta tcnica, llamada litografa blanda, ha sido utilizada por muchos investigadores debido a su simplicidad. Sin embargo, el largo tiempo de ciclo y la contraccin que sufre al polimerizarse el material hace difcil su empleo en la produccin en serie de la mayora de las aplicaciones industriales [6].

MICROCONFORMADO El vocablo microconformado hace referencia a las tecnologas de fabricacin por deformacin de componentes con al menos dos dimensiones por debajo del milmetro. Se incluyen en esta disciplina tanto la mera miniaturizacin de procesos (mquinas, utillajes, modelos numricos), como el desarrollo de nuevos modelos y tcnicas de fabricacin especficos para microcomponentes, que hagan frente a las limitaciones de la miniaturizacin.

MANIPULACIN, MONTAJE, ASEGURAMIENTO DE CALIDAD Y METROLOGA La manipulacin y el montaje de micropiezas es una tarea que se enfrenta a nuevos problemas, que no aparecen en la fabricacin en serie convencional. Entre estos problemas, se pueden citar pequeas tolerancias de unin, efecto dominante de las fuerzas superficiales e incluso rotura de micropiezas por fuerzas excesivas, errores de posicionamiento debido a cambios de temperatura, vibraciones y contaminacin. Adems la manipulacin y el empaquetado de microcomponentes resultan trascendentales para su posterior aplicacin y actualmente engloba hasta el 80% del coste total de fabricacin. En cuanto al control de la calidad y la metrologa, el control del proceso en todo momento es la clave para llegar a una produccin satisfactoria de productos a escala micro. Los ensayos funcionales de los microproductos presentan una gran importancia a la hora de determinar su comportamiento. Esto implica la necesidad de realizar ensayos dinmicos bajo condiciones de trabajo diferentes, as como la monitorizacin simultnea del comportamiento del producto. La estandarizacin en el campo de la microtecnologia es necesaria para el desarrollo de un lenguaje unificado. Es preciso integrar las experiencias del mundo de la tecnologa de los MEMS y del mundo de la ingeniera de precisin de cara a definir las pautas y estrategias comunes en cuanto a tolerancias e instrumentos de medida, as como mtodos de medida y calibracin. Por otro lado, el radio entre el rea superficial y las dimensiones genera serios problemas metrolgicos en el caso de piezas de reducidas dimensiones. A medida que las piezas son menores, la capacidad de distinguir entre una dimensin superficial y una lineal se hace ms compleja. Hay una fuerte necesidad de comercializar instrumentos capaces de medir microproductos 3D reales, aunque ya se han realizado algunos esfuerzos en este sentido.

[1] http://www.micromanufacturing.net/ [2] http://proton.ucting.udg.mx/tutorial/micro_ingenieria/sumintro.html#whatis [3] http://www.micromanufacturing.net/MM/Download/MU_Ivan_Gallego.pdf [4] J. Chae, S.S. Park, T. Freiheit, Investigation of micro-cutting operations.[5] L. Alting, F. Kimura, H.N. Hansen, G. Bissacco, Micro Engineering, Annals of CIRP. [6] M.J. Madou, Fundamentals of Microfabrication, CRC Press, ISBN.