Mencione a miniaturização e a maioria dos engenheiros de design provavelmente pensarão “electrónica”. É verdade que no passado, as tecnologias e requisitos de fabricação levavam a eletrônica em direção a componentes e sistemas cada vez menores. Essas influências estão agora espalhadas – de modo que elas são evidentes em uma variedade de sistemas de base mecânica reduzida.
O impulso para reduzir o tamanho tem sido impulsionado por necessidades de aplicações médicas para o setor automotivo e aeroespacial. Os projetistas estão tendo que criar sistemas menores para permitir o acesso à carroceria através de técnicas minimamente invasivas e para embalar mais funções em um determinado volume para economizar peso, permitir a portabilidade e usar melhor os “bens imóveis” dispendiosos do dispositivo”
“É uma evolução natural”, diz Tom Hicks, vice-presidente da American Laubscher ALC (Farmingdale, NY). A herança da matriz suíça da empresa está na indústria relojoeira, fabricando pequenas peças há mais de 100 anos. Hoje, a American Laubscher produz componentes miniatura e micromecânicos para o que a Hicks chama de “aplicações de sensor para atuador”, desde pastilhas de silício a engrenagens e rolamentos mecânicos. Estes são utilizados em sistemas que vão desde espectrômetros e medidores de fluxo em miniatura até analisadores de sangue do tamanho de picolitros.
“Nos últimos 25 anos, a miniaturização na eletrônica foi impulsionada pela economia de escala”, colocando mais desempenho em embalagens menores a custos menores, diz Hicks. “No início, não havia uma miniaturização semelhante nos pacotes eletrônicos mecânicos laterais menores e mais pequenos ainda controlavam grandes módulos e sistemas mecânicos”. Mas a partir de meados dos anos 80, ele observa, o desenvolvimento de técnicas cirúrgicas minimamente invasivas, tais como colheita de veias e procedimentos baseados em cateteres, exigiam dispositivos mecânicos cada vez menores. Pequenos dispositivos também forneciam luz e visão aos cirurgiões que trabalhavam no interior do corpo. “Hoje em dia, essa unidade está sendo acrescentada pelas exigências da tecnologia da informação para dispositivos de telecomunicação e fibra ótica que precisam ser conectados, focados e comutados”, tudo dentro de dispositivos de pequena escala, diz ele.
Mini motores. As aplicações médicas também são a fabricação de dispositivos em miniatura puramente mecânicos. Por exemplo, Hicks cita uma sonda transesofágica Laubscher americana, feita pela empresa irmã da ALC, a Precipart, que envolve um cabeçote de engrenagem de 6 mm de diâmetro alimentado por um motor ainda menor da Micro Mo Electronics (Clearwater, FL). O cabeçote de engrenagem move um transdutor de ultra-som para a captação de imagens a partir do esôfago. Esses motores pequenos devem ser muito eficientes, pois não há muita energia disponível para executá-los, ele observa.
Como para os próprios motores, o acionamento para miniaturizar a energia não foi alimentado apenas pelo desejo de equipamentos multifuncionais, portáteis para uso médico, de teste e de medição, mas pela indústria aeroespacial, observa o vice-presidente de pesquisa e planejamento avançado da Micro Mo Electronics, Steve O’Neil. No ar e nas naves espaciais, ele diz: “O peso é importante. Mais peso do veículo, incluindo componentes como motores, significa menos carga útil e custos de lançamento mais altos”. Em aplicações médicas, sistemas portáteis de menor custo, como os de imagem, significam menores custos de cuidados porque os procedimentos podem ser feitos em um consultório médico ou em um centro de diagnóstico móvel. A despesa com equipamentos também é distribuída por mais pacientes”. O’Neil cita os motores, acionamentos e controladores da empresa usados em aplicações desde o posicionamento óptico para imagens e inspeção, até operações de fabricação de pastilhas de silício, como corte preciso de dados. Os sistemas portáteis podem trazer uma função para onde ela é necessária em uma fábrica, em vez de ter um ativo fixo grande e menos flexível.
O principal capacitador de micro motor tem sido o progresso em materiais, diz O’Neil – de fio e imãs para caixas. “A tecnologia do núcleo do motor não mudou”, observa ele. “O que mudou foram os materiais:
No fio, maior eficiência no isolamento e mudanças no design para incorporar o afundamento térmico permitem embalagens menores.
Em ímãs, a progressão nos últimos dez anos, mais ou menos, de cerâmica para cobalto de samário e agora para o boro de ferro neodímio saltou a densidade do fluxo magnético.
Em caixas, o plástico moldado por injeção tem suplantado os aços inoxidáveis”
O resultado é motores mais capazes em embalagens menores.
Viabilizadores de tecnologia. Na verdade, materiais e processos de fabricação são a chave para a miniaturização. Por exemplo, a fotolitografia americana Laubscher modificou a fotolitografia usada para fabricar microcircuitos a fim de produzir micromoldes para uma variedade de sistemas microeletromecânicos (MEMS). Antes disso, tais peças teriam sido fabricadas a partir de metais, o que significava menores taxas de produção e maiores custos de produção e material. O processo, chamado LIGA (um acrônimo do alemão para “Lithographic galvanic manu- facturing”), produz micromoldes que permitem a moldagem por injeção de materiais como polímeros de cristais líquidos (LCPs) dentro de tolerâncias de vários mícrons (ver barra lateral). Como exemplo, Tom Hicks observa uma virola de fibra óptica (conector) que anteriormente era micromaquinada de precisão a partir do metal. Hoje a peça é fabricada em LIGA a partir de LCP para um erro composto total de 6 microns – que inclui abertura, diâmetro externo e porta de entrada (localização e diâmetro) de tolerância acumulada. Os moldes LIGA podem ser feitos com precisão suficiente para permitir tolerâncias de acabamento superficial da peça em angstroms, diz Hicks.
Ele observa que os métodos de fabricação anteriores são “subtrativos”, envolvendo a remoção de material para formar uma peça acabada. Os moldes galvanizados são, como Hicks diz, “capazes de contornar o piso de vidro – o limite inferior de tamanho e tolerâncias sob os quais os métodos subtrativos não poderiam ir porque as propriedades mecânicas dos materiais a serem tratados não suportariam as forças usadas para remover o material. Em outras palavras, as peças cisalhariam ou lascariam em vez de cortar”
Outros produtos fabricados com LIGA incluem conexões perfuradas para injetores de combustível de precisão e impressoras do tipo jato de tinta. Muitas vezes os materiais utilizados nestas aplicações portadas não podem ser perfurados por microdrills ou lasers sem rachar ou outros efeitos indesejáveis.
Hicks acrescenta que, “Não são apenas materiais ou processos, mas como ambos se juntam”. Você precisa de materiais compatíveis e técnicas de micromoldagem, como ser capaz de moldar uma pequena injeção de plástico”. Bons exemplos de materiais e precisão que se juntam são em aplicações médicas LIGA, incluindo testes farmacológicos ou ensaios de diagnóstico. Estes últimos precisam ter canais suaves e bolsas moldadas com precisão para um movimento fluido máximo para separar rapidamente, digamos, uma gota de sangue total em uma quantidade precisa para microanálise. Com o material adequado (para afinidade de sangue) moldado com precisão, quando uma gota de sangue flui para o ensaio, a hemoglobina (glóbulos vermelhos) é separada do plasma e uma quantidade precisa, em dezenas de picolitros, flui para análise sem a presença de oxigénio que pode enviesar os resultados dos testes. Ao moldar tais dispositivos, eles são baratos o suficiente para serem descartáveis, evitando qualquer preocupação sobre a contaminação na reutilização.
Com componentes econômicos e precisos, o diagnóstico manual e em instrumentos dependem do casamento da eletrônica, sensores e fontes e motores de baixa potência diretamente no produto final. Assim, a pressão está sendo colocada sobre os projetistas de componentes mecânicos para tornar sua parte de um dispositivo ainda menor, de acordo com a Hicks.
Finalmente, a Hicks observa um interessante desenvolvimento de MEMS para assistir chamado Digital AngelTM (Digital Angel, Hauppauge, NY). Aqui os designers visam implantar um circuito MEMS flexível sob a pele, ou em objetos pessoais ou obras de arte, o que permite que o objeto ou pessoa seja monitorado e rastreado pelo satélite GPS (ver diagrama). As aplicações humanas podem incluir monitoramento médico e rastreamento de pacientes, crianças ou militares.
Chief Scientist Peter Zhou diz que as principais tecnologias são pequenos chips implantáveis de identificação por radiofrequência (RFID), baterias recarregáveis, sensores e uma antena de microondas com menos de uma polegada de comprimento. O utilizador, os alarmes programados ou uma instalação remota podem activar o dispositivo. Para aplicações diárias, os dados médicos poderiam ser baixados para um local central por um link de modem de celular ou PC.
Tal interação entre os desenvolvimentos eletrônicos e mecânicos parece continuar, com resultados ainda mais sinérgicos por vir.
7 dicas para o projeto de miniaturização
American Laubscher VP Tom Hicks oferece alguns pontos a serem considerados ao projetar produtos miniaturizados:
1 Valores do manual para características mecânicas do material quase nunca são precisos. Você não precisa de massa “excessiva” para ter força. As tensões de rolamento em relação à massa, uma vez ultrapassados determinados limiares, produzem efeitos semelhantes à grande resistência ao peso de uma formiga. Você pode usar seções mais finas.
2 Métodos de medição de qualidade e inspeção se tornam mais especializados. Você usa muito mais inspeção ótica porque não pode obter sondas mecânicas onde você quer ir.
3 Quanto menor você for mecanicamente, mais você lida com componentes e dispositivos como você faria com a eletrônica. Elas são muito pequenas para tocar diretamente, e você deve montar os componentes rapidamente, como por exemplo, diretamente no molde de injeção, para evitar contaminação potencial. Tal como a electrónica, a montagem de fitas de produção pode ser utilizada para facilitar a embalagem e o manuseamento.
4 A tensão superficial dos fluidos é muito diferente da do mundo dos macromoléculas. A razão entre a superfície disponível e a massa do fluido é muito elevada. As características de umectação da micro-superfície são críticas.
5 A limpeza é tida como garantida. O pó parece grande em comparação com o que você está fazendo. Uma sala limpa de nível 10 pelo menos é necessária, mas o nível exato depende de onde um dispositivo será necessário para engrenagens (a menos que para uso médico dentro do corpo humano) enquanto o pó em produtos ópticos pode afetar muito o desempenho.
6 Os conceitos de macrodesign podem ser traduzidos em microdesigns com bastante frequência com a aplicação de várias tecnologias disponíveis. Um designer pode tirar proveito da experiência dos que atuam na área. Os métodos incluem não apenas a base litográfica para moldagem por injeção de plásticos ou metais, mas também a usinagem por eletro-erosão (EDM) para remover material para formar um molde, ablação a laser e posicionamento iônico ou galvânico.
7 O preço geralmente acaba mais alto. O seu produto pode custar, digamos, 1,5 cêntimos versus 0,1 cêntimos para uma peça macro?
Fabricação por micro-injeção de moldes
Moldes LIGA formados galvanicamente resultam em peças plásticas com tolerâncias de até 60,0001 polegadas (2 microns). O nome vem do alemão para a fabricação litográfica galvânica (chapeamento). Em contraste com a fabricação semelhante de microchips semicondutores, os moldes de injeção LIGA para peças plásticas são primeiro dispostos com uma máscara fotossensível mais grossa. Comprimentos de onda mais curtos, até raios X, que são mais altamente colimados, bombardeiam a resistência desmascarada, subjacente, que pode ser de silício ou plástico. A estrutura exposta é então “desenvolvida” (reduzida) por um solvente ou gravura de íons para remover este material indesejável. Em seguida, o níquel ou cobalto de níquel é banhado no material de resistência restante, que é então removido por outro solvente ou mesmo rachadura física, deixando a ferramenta de moldagem por injeção final. Esta ferramenta é utilizada para o fabrico de peças de produção. Para prototipagem (lado esquerdo do desenho) o metal resultante pode funcionar como a peça.
A necessidade de blindagem
A medida que os componentes eletrônicos se aproximam em aplicações miniaturizadas, aumenta a necessidade de contrariar as interferências eletromagnéticas (EMI). Assim, pode ser necessária uma blindagem adicional, diz Jack Black, diretor de vendas da Boldt Metronics International (Palatine, IL), um fornecedor de componentes eletrônicos metálicos, incluindo escudos. E, ele acrescenta, um pacote menor também tem uma necessidade maior de remover o calor do dispositivo, o que pode ser feito usando protetores EMI termicamente condutores, mais ventiladores e dissipadores de calor mais eficazes.
Black observa que, com menos imóveis abertos nas placas de circuito, pode ser mais difícil usar as juntas de blindagem EMI, que, ele diz, precisam de grandes áreas de ocupação de espaço para funcionar de forma eficaz. Assim, podem ser necessárias protecções EMI metálicas de montagem superficial, particularmente se forem utilizadas placas de dupla face.
Ele também enfatiza a maior necessidade de protótipos de peças quando se faz miniaturização. “As opções de redesenho são limitadas devido ao tamanho menor”, aponta Black. “Muitas vezes, o layout das pranchas é muito complicado, com mais camadas do que antes. Por isso simples’correções na fase de desenvolvimento não são mais simples. O design para potenciais problemas na fase de protótipo permite uma entrada mais rápida no mercado”
Finalmente, Black observa que devido às suas frequências mais altas, componentes mais rápidos aumentam a necessidade de blindagem, seja em componentes menores ou não”. Assim, quanto menor é um dispositivo, a necessidade de blindagem torna-se maior, a fim de cortar o potencial aumentado da conversação cruzada, pois mais componentes de alta velocidade podem ser colocados em uma área menor.
5 considerações para sistemas e motores em miniatura
Ao estabelecer requisitos para sistemas que podem se beneficiar da miniaturização em geral e micro motores em particular, Steve O’Neil, vice-presidente de pesquisa e planejamento avançado da Micro Mo Electronics, oferece cinco fatores para levar em conta:
1 Custo: Muita gente pensa que se algo é menor, deve ser menos caro. Tecnologias dispendiosas podem ser necessárias para produzir componentes de produtos miniaturizados.
2 Física: Você se depara com fenômenos diferentes em tamanhos pequenos – não imagens espelhadas do mundo dos macrófagos. Coisas como a forma como os materiais se colam uns aos outros (colagem a ser superada) e o comportamento do lubrificante. No mundo macro, os lubrificantes e o excesso de potência são tomados como garantidos. No mundo micro, o lubrificante pode agir como um adesivo e o tamanho das partículas pode criar problemas.
3 Ineficiências: É necessário um bom manuseio na eficiência dos componentes porque os dispositivos pequenos não têm grandes margens de potência para jogar.
4 Expertise: Fale com um fornecedor competente. Faça uso da experiência em design em empresas especializadas em equipamentos miniaturizados para uma crítica prática.
5 Justificativa: Porquê miniaturizar se não há razão comercial para o fazer? Obter a entrada do mercado para um objetivo claro.