ITIA-CNR

MEDIS

Micro Enabled Devices and Systems

Obiettivi della ricerca

MEDIS

Micro tecnologie per dispositivi del futuro

Le attività di ricerca del gruppo volgono allo sviluppo di soluzioni tecnologiche innovative che facilitino l'implementazione del paradigma "micro" sia a livello di prodotto che di processo. Allo scopo vengono studiate le tecnologie di fabbricazione, assemblaggio e il design di prodotti miniaturizzati tridimensionali ad alto valore aggiunto.

Sviluppo di metodologie e strumenti per la concezione, progettazione e produzione di micro/meso dispositivi innovativi, dalla fabbricazione di micro componenti in materiale plastico, ceramico o metallico fino alla realizzazione di micro sistemi complessi attraverso la manipolazione e l'assemblaggio dei componenti. Inoltre, le relative tecnologie abilitanti (estrusione, iniezione, elettroerosione, afferraggio e posizionamento pezzo, visione) sono studiate singolarmente alla scala micro.

Attività di ricerca

Modellazione, simulazione multi-physics e caratterizzazione. Alla scala micro, le forze superficiali risultano predominanti rispetto alle forze di massa, dato l'elevato rapporto tra superficie e volume. Queste forze influenzano tanto le operazioni di fabbricazione quanto quelle di manipolazione e assemblaggio. Per lo studio di processi, come la dispersione di nano particelle in una matrice polimerica durante l'estrusione o il flusso del materiale all'interno dello stampo durante il processo di micro stampaggio a iniezione, questi fenomeni vengono modellati utilizzando software commerciali integrati con routine sviluppate ad hoc.
Analogamente, durante le fasi di concezione e sviluppo di opportune strategie di manipolazione e assemblaggio, è necessario studiare l'influenza delle forze di adesione superficiale tramite adeguati modelli di simulazione. Infine, vengono effettuate prove di caratterizzazione meccanica (trazione, fatica) su provini realizzati per stampaggio a diverse scale.
Tecnologie di micro fabbricazione. Il laboratorio è attrezzato con macchine commerciali per la fabbricazione di micro componenti e di prodotti caratterizzati da particolari microscopici. In particolare, una macchina di micro elettroerosione (EDM), una di micro iniezione e un micro estrusore compongono il reparto di micro fabbricazione all'interno della Fabbrica per produzione micro. Le relative tecnologie di processo sono oggetto di studio sia singolarmente sia come parte del ciclo di fabbricazione che comincia con la preparazione di miscele di polimeri e termina con l'iniezione del materiale, ottenendo il componente da assemblare per la realizzazione del prodotto finale.
L'EDM viene studiata per la realizzazione di strutture complesse con elevato rapporto di forma, come nel caso di micro stampi e trafile o mini prodotti per applicazioni medicali. Inoltre, è oggetto di ricerca lo studio della lavorabilità tramite EDM di materiali fragili e con elevata durezza, come acciaio temprato, titanio e compositi ceramici, e di altri materiali di interesse, quali alluminio e leghe di magnesio.
La tecnologia di micro estrusione è studiata per la miscelazione di resine polimeriche additivate con nano polveri, ad esempio per applicazioni biomedicali (cateteri e stent), inclusa la progettazione di profili ad hoc per le viti di estrusione.
Infine, è analizzato il processo di micro iniezione di alcuni polimeri, selezionati in base alle loro caratteristiche di elevata fluidità e stabilità (PP, POM, LCP, HDPE, PMMA, PEEK, PC e PPS) al variare dei parametri più rilevanti (velocità di iniezione, temperatura di fusione e dello stampo, pressione e tempo di mantenimento), al fine di ottimizzarne le condizioni di processo e raggiungere i limiti di capacità di replicazione.

100µm

Micro nozzle per gripper a
vuoto fabbricato in acciaio
inox tramite micro EDM

Micro assemblaggio automatizzato. Nella produzione di micro dispositivi ibridi, la fase di assemblaggio risulta una delle più cruciali, incidendo fino al 60% del costo finale del prodotto. Infatti, la maggior parte delle operazioni di assemblaggio automatizzato implementate nel "mondo macro" non possono essere utilizzate alla scala micro e, ancora oggi, molte operazioni sono eseguite manualmente, aumentando i tempi e i costi di fabbricazione. Per questo motivo, il gruppo di ricerca ha sviluppato una cella robotizzata, flessibile e riconfigurabile, per la manipolazione e l'assemblaggio automatizzato di micro componenti; essa integra un robot commerciale ad alta precisione e 4 dof e un sistema di visione a telecamere multiple (eye- in-hand ed eye-to-hand) per il rilevamento automatico, la misura e l'ispezione dei micro componenti. È stato sviluppato un set di algoritmi di machine vision 2D e 3D per l'implementazione di strategie di controllo "look and move" del robot. Inoltre, sono state implementate e realizzate delle tecniche innovative per la calibrazione degli end effector e delle telecamere, inclusa la loro georeferenziazione rispetto al manipolatore. Si prevede di integrare nella cella un altro manipolatore e di sviluppare e implementare strategie di controllo in forza per i robot e per i gripper. La cella di micro manipolazione e micro assemblaggio è inserita nel reparto di micro assemblaggio della Fabbrica per produzione micro.
Progettazione, realizzazione e validazione di micro sistemi di presa. Quando si effettuano la manipolazione e l'assemblaggio automatizzati alla micro scala, bisogna far fronte a effetti adesivi incontrollati studiando e progettando strategie di presa e rilascio opportune. Dall'altro lato, questi effetti adesivi consentono l'uso di principi fisici non adatti alla manipolazione di macro componenti. In questo ambito, sono stati concepiti, prototipati e testati innovativi sistemi di manipolazione basati sulla depressione, sulle forze elettrostatiche e di capillarità, con particolare attenzione allo sviluppo di opportuni dispositivi di rilascio e sensorizzazione. Inoltre, sono state investigate soluzioni innovative per attuazione e sensorizzazione basate su polimeri elettroattivi (EAP).

Principali progetti di ricerca

REMS
Rete Lombarda di eccellenza per la Meccanica strumentale e Laboratorio esteso, Regione Lombardia (2011-2013)
NET4M
Development of a collaborative network for micro -manufacturing, -assembly and -robotics, FP7-PEOPLE (2011-2015)
BACKOP
Backplane Ottico per Apparati ICT di Alta Capacità, MIUR (2011-2014)
MM&A
Micro Manipulation & Assembly, PRIN2009 MIUR (2011-2013)
ECOIMPATTO
Eco-progettazione di compositi e manufatti ottenuti da plastiche di scarto post consumo, Regione Lombardia (2011-2013)
PLUS
Plastic Lab-on-chips for the optical manipUlation of Single-cells, Progetto Bandiera "La Fabbrica del Futuro" (2013-2014)

Scaffold ceramico (Si3N4-
TiN) per la crescita di
tessuto osseo fabbricato
tramite micro EDM (particolare)

key words

Micro Manufacturing; Micro Robotics; Micro Assembly; Micro EDM; Micro Injection Moulding.

Contatto

Eng. Ph.D. Irene Fassi - Milano
MEDIS Group responsible
irene.fassi [at] itia.cnr.it
Consulta il minisito del gruppo...