Diamantbeitels

Onderzoekers van Olympus Optical Company in Tokio maakten een micro-drilboor. Het instrument bevat een diamantbeitel waarvan de ronde top een diameter heeft van slechts een vijfde micrometer. Dat is 20 miljoen maal kleiner dan de beitels van slaghamers uit de bouw. De frequentie waarmee dit microgereedschap hakt is echter heel wat hoger dan van zijn grotere broer. De diamantpunt slaat zo'n tienduizend maal per seconde splinters van een oppervlak.

Er is nog een verschil. Terwijl een drilboor slechts beton hoeft te breken, moet de miniatuurbeitel van Olympus behalve schrapen ook een zeer glad oppervlak achterlaten. Bij het Japanse bedrijf wil men dit micromachining-gereedschap namelijk gebruiken om er roestvaststalen matrijzen mee af te werken. Die vormstukken gebruikt men vervolgens om optische produkten, zoals cameralenzen, met spuitgieten snel en goedkoop te maken.

Veel optische componenten in consumentenprodukten zijn tegenwoordig van plastic. “A-sferische lenzen zoals die van CD-spelers zijn veel moeilijker van glas te maken dan van kunststof”, zegt Rien de Schipper, hoofd van de afdeling 'optische componenten' van het Philips Competence Center Plastics. Glazen lenzen moeten stuk voor stuk met verspanen worden geproduceerd en eventueel gepolijst. Bij produktie in kunststof hoeft alleen de matrijs verspanend te worden gemaakt waarna serieproduktie kan beginnen. De Schipper: “Het is een ruwe vuistregel dat optische componenten daardoor in kunststof tweemaal goedkoper zijn te produceren.”

Philips gebruikt kunststof lenzen onder meer in de leeskoppen van CD-spelers. Maar ook contactlenzen en brilleglazen zijn met behulp van matrijzen in grote series te produceren. Voorwaarde is wel dat de matrijswand een goed gedefinieerd profiel kan worden gegeven. Daarnaast is voor optische toepassingen polijstkwaliteit nodig, dat wil zeggen dat de ruwheden minder dan 0,01 micron bedragen.

Olympus probeert dat te bereiken met de microdrilboor. Hij is zo groot is als een koffiezetapparaat en zou een kruising kunnen zijn tussen een klopboor een atomic force microscoop. Een AFM tast een oppervlak af met een atoom-scherpe naald, waarbij een computer de contouren van het microscopische landschap onthoudt en in beeld brengt. Ook de trillende diamantbeitel wordt voorzichtig over het oppervlak bewogen (in feite beweegt men het werkstuk in het horizontale vlak, de beitel wordt in de hoogte gepositioneerd). De hakbeweging komt van een piëzokristal dat onder invloed van een wisselspanning krimpt en uitzet. Tijdens het bewerken kan steeds de kracht van de inslag worden gemeten en er is steeds een uniforme belasting mogelijk.

Het diamantbeiteltje wordt pas ingezet nadat in een eerder stadium met vonkverspanen een vorm in de matrijs is aangebracht. Met vonkverspanen laat men door middel van vonkoverslag stukjes roestvaststaal eroderen. Hierna is de matrijsholte echter niet glad genoeg. Er is nog een microscopisch 'gebergte' aanwezig met een ruwheid van 0,4 micron. Na bewerking met de diamantbeitel blijft een heuvellandschap over met ruwheid 0,02 micron. “Dat is voor ons genoeg om er matrijswanden mee af te werken voor optische produkten”, schrijft Ogawa van Olympus. “Tot nu toe zijn we de enigen die het op deze manier doen.” De microbeitel-studie werd mede gefinancierd door het Japanse NEDO (New Energy and Industrial Technology Development Organization).

Philips ontwikkelde een ultraprecisiedraaimachine om de matrijzen voor kunststof CD-spelerlenzen vorm te geven. Daarbij draait het werkstuk langs een scherpe diamanten punt. Met deze conventionele methode is een oppervlaktenauwkeurigheid mogelijk van 0,01 micron. Philips commercialiseert het instrument nu in samenwerking met Stork en Innoned voor het draaien van contactlenzen. Dat heeft inmiddels geresulteerd in de Optomatic draaimachine die zowel matrijzen als lenzen 'op maat' kan maken. De Optomatic heeft een oppervlaktenauwkeurigheid van 0,02 micron. Gedraaide lenzen hoeven niet meer te worden nagepolijst.

Behalve in effen, gladde oppervlakken bestaat er in de micromechanica ook interesse in grote hoogteverschillen. Met selectieve ets-middelen komt men een heel eind, maar die hebben allemaal de eigenschap dat ze het silicium niet loodrecht naar beneden kunnen uitdiepen. Een kanaal etsen in silicium resulteert altijd in een slootje met schuine kanten.

Henri Jansen, medewerker van het Mesa-instituut van de Universiteit Twente, ontwikkelde een techniek die niet richtingsspecifiek is. Hij kan slootjes in silicium graven met loodrechte én schuine zijkanten. Jansen dekt daarbij eerst met een chroommasker de plaatsen af die niet mogen worden aangetast. Daarna gaat de silicium plak in een kamer met een reactief plasma van de gassen SF, zuurstof en CHF. In het plasma worden SFx- en CFx-radicalen gevormd die op het oppervlak neerhagelen. Daar wordt dan silicium afgevoerd in de vorm van gasvormige siliciumfluor- en siliciumfluoroxyde-verbindingen. Met deze 'Black Silicon' micromachining-techniek maakte Jansen inmiddels micropincetten, positioneertafeltjes voor scanning-microscopen en scherpe naalden voor AFM-microscopie.

De Duitse firma Lambda Physik produceerde de afgelopen jaren tal van staaltjes van diepe microbewerkingen met eximerlasers. Deze lasers worden veel gebruikt om kleine onderdelen van markeringen te voorzien. Met korte pulsen worden stukjes materiaal weggeschoten. Onlangs produceerde Lambda Physik een tandwieltje van 110 micron dat met een kryptonfluoride eximerlaser (golflengte 248 nm) uit een keramiek plaatje was 'gesneden'. Volgens de nieuwsperiodiek van Lambda Physik waren 10.000 laserpulsjes nodig om het wieltje met vrijwel loodrechte wanden uit het keramiek te snijden.