Avances necesarios para integrar la nanofabricación en la Fábrica del Futuro

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En el anterior libro (“La Fábrica del Futuro humana, inteligente, tecnológica y digital”, Sisteplant, S.L. – 2016, pág 129 y siguientes), ya tratamos la descripción tecnológica de la nanofabricación y sus modalidades de “down-top” y “top-down”. En esta ocasión vamos a ver posibles formas de prepararla para las necesidades concretas que las fábricas 4.0 (FF) requieren para tener un sentido completo y holístico.

Básicamente son:

  • Capacidades de proceso equivalentes a 6Sigmas en los puntos críticos que condicionen su fiabilidad y, así, la del producto que fabrican.
  • Velocidades de producción razonables en un entorno industrial -aunque su configuración pueda parecerse más a un laboratorio-.
  • Agilidad y versatilidad para fabricar viablemente series cortas y unitarias personalizadas.

El gran interés que la FF tiene en la nanofabricación estriba en que, por una parte, precisamente no está aún industrializada y permite una diferenciación creativa, y por otra en su potencial para crear propiedades extraordinarias en los productos de alto valor añadido tecnológico.

¿Cómo se posicionan hoy el “down-top (DT)” y el “top-down (TD)” en esto? El siguiente cuadro lo resume.

Requerimiento para la FF TD DT
Técnicas de fabricación actuales Síntesis química, CVD STM (microscopio de efecto túnel).

AFM (microscopio de fuerza atómica)

Motor Afinidad química Campos electrostáticos y electromagnéticos
Fuerzas de unión (Van der Waals, iónicas)
Débiles
Covalentes
Fuertes
Potencial de capacidad de proceso Más baja Buena
(manipulación átomo a átomo o en pequeños grupos direccionales)
Tiempo de proceso Bajo Excesivo
Agilidad y versatilidad Poca Alta
Propiedades creadas en el producto Menores Excelentes

Observándolo, se aprecia un mayor y claro potencial en la DT, pero es clave resolver primero su problema de la velocidad, lo que no es sencillo.

Por lo tanto, a corto plazo, una salida puede ser la combinación de la DT y TD en una técnica como la DPNL (Deep-pen Nanolitografhy), en la que disponiendo un útil especial en la punta de un AFM podemos depositar direccionalmente (por CNC de gran precisión) partículas que luego van ensamblándose por afinidad, capa a capa.

 

Esto sugiere que la DPNL puede articularse como 3Dp (impresión en 3D), lo que está aún por lograr, pero que no reviste una complicación insalvable, siempre que se tenga en cuenta la frecuencia natural de auto-ensamblado, originada por esa afinidad de las partículas o grupos. De lo contrario, si aumento la velocidad de avance del útil DPNL en el proceso, el menisco se romperá. Si esa velocidad es “industrialmente pequeña”, habría una solución complementaria; reforzar con un campo eléctrico longitudinal (en la dirección de avance) su cohesión. Este campo podría ser creado entre la punta del AFM y una placa solidaria arrastrada por él

La fabricación en vacío es necesaria para no desestabilizar con elementos externos el proceso, ya que las fuerzas de viscosidad y Brownianas son muy sensibles a las condiciones ambientales, y necesitamos realizar una regulación PID interactiva muy fina del conjunto de elementos que actúan:

  • La distancia de la punta del DPNL al substrato o capa anterior
  • La velocidad
  • La medición por láser del estado elástico del menisco
  • La intensidad y frecuencia del campo eléctrico.

 

 

Otro aspecto importante es que, dada a precisión requerida y la sensibilidad de parámetros y condiciones, es importante que una estructura tetraédrica (por su máxima rigidez e isotropía) soporte los útiles y medios de proceso.

En definitiva, delicado pero conseguible. La DPNL con 3Dp puede ser una buena salida inmediata.

 

 

 

 


Javier Borda Elejabarrieta, Dr. I.I., Msc. en modelos matemáticos y MBA; Presidente de Sisteplant. Profesor de la ETSII de Bilbao (Aula Aeronáutica) y de la URJC, (logística para Defensa).

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