Recent advances in micro- and nano-machining technologies

Abstract

Device miniaturization is an emerging advanced technology in the 21st century. The miniaturization of devices in different fields requires production of micro- and nano-scale components. The features of these components range from the sub-micron to a few hundred microns with high tolerance to many engineering materials. These fields mainly include optics, electronics, medicine, bio-technology, communications, and avionics. This paper reviewed the recent advances in micro- and nano-machining technologies, including micro-cutting, micro-electrical-discharge machining, laser micro-machining, and focused ion beam machining. The four machining technologies were also compared in terms of machining efficiency, workpiece materials being machined, minimum feature size, maximum aspect ratio, and surface finish.

Keywords

micro machining / cutting / electro discharge machining (EDM) / laser machining / focused ion beam (FIB)

References

[1] Luo X, Cheng  K, Webb D ,  Design of ultraprecision machine tools with applications to manufacture of miniature and micro components. Journal of Materials Processing Technology, 2005, 167(2–3): 515–528 

[2] Qin Y. Micromanufacturing Engineering and Technology. Oxford: William Andrew, 2010

[3] Alting L, Kimura  F, Hansen H N ,  Micro engineering. CIRP Annals—Manufacturing Technology, 2003, 52(2): 635–657 

[4] Crichton M L, Archer-Jones  C, Meliga S ,  Characterising the material properties at the interface between skin and a skin vaccination microprojection device. Acta Biomaterialia, 2016, 36: 186–194

[5] Vaezi M, Seitz  H, Yang S . A review on 3D micro-additive manufacturing technologies. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2013, 67(5–8): 1721–1754

[6] Liu X, Devor  R E, Kapoor  S G,  The mechanics of machining at the microscale: Assessment of the current state of the science. Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2004, 126(4): 666–678

[7] Spearing S M. Materials issues in microelectromechanical systems (MEMS). Acta Materialia, 2000, 48(1): 179–196

[8] Rajurkar K P, Levy  G, Malshe A ,  Micro and nano machining by electro-physical and chemical processes. CIRP Annals—Manufacturing Technology, 2006, 55(2): 643–666

[9] Liu K, Lauwers  B, Reynaerts D . Process capabilities of micro-EDM and its applications. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2010, 47(1–4): 11–19

[10] Masuzawa T. State of the art of micromachining. CIRP Annals— Manufacturing Technology, 2000, 49(2): 473–488

[11] Madou M J. Manufacturing Techniques for Microfabrication and Nanotechnology. Boca Raton: CRC Press, 2011

[12] Brinksmeier E, Riemer  O, Stern R . Machining of precision parts and microstructures. In: Inasaki I, ed. Initiatives of Precision Engineering at the Beginning of a Millennium. Berlin: Springer, 2002, 3–11

[13] Brousseau E B ,  Dimov S S ,  Pham D T . Some recent advances in multi-material micro-and nano-manufacturing. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2010, 47(1–4): 161–180

[14] Qin Y, Brockett  A, Ma Y ,  Micro-manufacturing: Research, technology outcomes and development issues. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2010, 47(9–12): 821–837

[15] Dimov S S, Matthews  C W, Glanfield  A,  A roadmapping study in multi-material micro manufacture. In: Proceedings of the Second International Conference on Multi-Material Micro Manufacture. Oxford: Elsevier, 2006, xi–xxv

[16] Chae J, Park  S S, Freiheit  T. Investigation of micro-cutting operations. International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2006, 46(3–4): 313–332 

[17] Sumitomo T, Huang  H, Zhou L ,  Nanogrinding of multi-layered thin film amorphous Si solar panels. International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2011, 51(10–11): 797–805

[18] Yin L, Huang  H. Brittle materials in nano-abrasive fabrication of optical mirror-surfaces. Precision Engineering, 2008, 32(4): 336–341

[19] Huo D. Micro-Cutting: Fundamentals and Applications. London: John Wiley & Sons, 2013

[20] Lu Z, Yoneyama  T. Micro cutting in the micro lathe turning system. International Journal of Machine Tools & Manufacture, 1999, 39(7): 1171–1183

[21] Rahman M, Asad  A, Masaki T ,  A multiprocess machine tool for compound micromachining. International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2010, 50(4): 344–356

[22] Weule H, Hüntrup  V, Tritschler H . Micro-cutting of steel to meet new requirements in miniaturization. CIRP Annals—Manufacturing Technology, 2001, 50(1): 61–64

[23] Câmara M A ,  Rubio J C ,  Abrão A M , et al. State of the art on micromilling of materials, a review. Journal of Materials Science and Technology, 2012, 28(8): 673–685

[24] Egashira K, Mizutani  K. Micro-drilling of monocrystalline silicon using a cutting tool. Precision Engineering, 2002, 26(3): 263–268

[25] Dornfeld D, Min  S, Takeuchi Y . Recent advances in mechanical micromachining. CIRP Annals—Manufacturing Technology, 2006, 55(2): 745–768

[26] Aurich J C, Engmann  J, Schueler G M ,  Micro grinding tool for manufacture of complex structures in brittle materials. CIRP Annals—Manufacturing Technology, 2009, 58(1): 311–314

[27] Hoffmeister H, Wenda  A. Novel grinding tools for machining precision micro parts of hard and brittle materials. In: Proceedings of the 15th Annual Meeting of the ASPE. 2000, 152–155

[28] Park H, Onikura  H, Ohnishi O ,  Development of micro-diamond tools through electroless composite plating and investigation into micro-machining characteristics. Precision Engineering, 2010, 34(3): 376–386 

[29] Chen W K, Kuriyagawa  T, Huang H ,  Machining of micro aspherical mould inserts. Precision Engineering, 2005, 29(3): 315–323

[30] Luo X, Cheng  K, Webb D ,  Design of ultraprecision machine tools with applications to manufacture of miniature and micro components. Journal of Materials Processing Technology, 2005, 167(2–3): 515–528

[31] Kim J, Kim  D S. Theoretical analysis of micro-cutting characteristics in ultra-precision machining. Journal of Materials Processing Technology, 1995, 49(3–4): 387–398

[32] Shaw M C. Precision finishing. CIRP Annals—Manufacturing Technology, 1995, 44(1): 343–348

[33] Liu X, Jun  M B, Devor  R E,  Cutting mechanisms and their influence on dynamic forces, vibrations and stability in micro-endmilling. In: Proceeding of the ASME 2004 International Mechanical Engineering Congress and Exposition. American Society of Mechanical Engineers, 2004, 583–592

[34] Bissacco G, Hansen  H N, De Chiffre  L. Size effects on surface generation in micro milling of hardened tool steel. CIRP Annals— Manufacturing Technology, 2006, 55(1): 593–596

[35] Kim C, Mayor  J R, Ni  J. A static model of chip formation in microscale milling. Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2004, 126(4): 710–718

[36] Weule H, Hüntrup  V, Tritschler H . Micro-cutting of steel to meet new requirements in miniaturization. CIRP Annals—Manufacturing Technology, 2001, 50(1): 61–64

[37] Liu X, Devor  R E, Kapoor  S G. An analytical model for the prediction of minimum chip thickness in micromachining. Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2006, 128(2): 474–481

[38] Vogler M P, Devor  R E, Kapoor  S G. On the modeling and analysis of machining performance in micro-endmilling, Part I: Surface generation. Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2004, 126(4): 685–694

[39] Vogler M P, Kapoor  S G, Devor  R E. On the modeling and analysis of machining performance in micro-endmilling, Part II: Cutting force prediction. Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2004, 126(4): 695–705 

[40] Son S M, Lim  H S, Ahn  J H. Effects of the friction coefficient on the minimum cutting thickness in micro cutting. International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2005, 45(4–5): 529–535

[41] Dow T A, Miller  E L, Garrard  K. Tool force and deflection compensation for small milling tools. Precision Engineering, 2004, 28(1): 31–45

[42] Bao W Y, Tansel  I N. Modeling micro-end-milling operations. Part I: Analytical cutting force model. International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2000, 40(15): 2155–2173

[43] Bao W Y, Tansel  I N. Modeling micro-end-milling operations. Part II: Tool run-out. International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2000, 40(15): 2175–2192

[44] Duan X, Peng  F, Yan R ,  Estimation of cutter deflection based on study of cutting force and static flexibility. Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2016, 138(4): 041001

[45] Ma W, He  G, Zhu L ,  Tool deflection error compensation in five-axis ball-end milling of sculptured surface. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2016, 84(5): 1421–1430

[46] Shabouk S, Nakamoto  T. Micro machining of single crystal diamond by utilization of tool wear during cutting process of ferrous material. Journal of Micromechatronics, 2002, 2(1): 13–26 

[47] Kalpakjian S, Schmid  S R. Manufacturing Processes for Engineering Materials. Upper Saddle River: Prentice Hall, 2007

[48] Schaller T, Bohn  L, Mayer J ,  Microstructure grooves with a width of less than 50 mm cut with ground hard metal micro end mills. Precision Engineering, 1999, 23(4): 229–235

[49] Onikura H, Ohnishi  O, Take Y ,  Fabrication of micro carbide tools by ultrasonic vibration grinding. CIRP Annals—Manufacturing Technology, 2000, 49(1): 257–260 

[50] Adams D P, Vasile  M J, Benavides  G,  Micromilling of metal alloys with focused ion beam—Fabricated tools. Precision Engineering, 2001, 25(2): 107–113

[51] Egashira K, Hosono  S, Takemoto S ,  Fabrication and cutting performance of cemented tungsten carbide micro-cutting tools. Precision Engineering, 2011, 35(4): 547–553

[52] Wong Y S, Rahman  M, Lim H S ,  Investigation of micro-EDM material removal characteristics using single RC-pulse discharges. Journal of Materials Processing Technology, 2003, 140(1–3): 303–307

[53] Pham D T, Dimov  S S, Bigot  S,  Micro-EDM—Recent developments and research issues. Journal of Materials Processing Technology, 2004, 149(1): 50–57

[54] Liao Y S, Chen  S T, Lin  C S,  Fabrication of high aspect ratio microstructure arrays by micro reverse wire-EDM. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2005, 15(8): 1547–1555

[55] Wang J, Han  F. Simulation model of debris and bubble movement in consecutive-pulse discharge of electrical discharge machining. International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2014, 77: 56–65

[56] Kadirvel A, Hariharan  P, Gowri S . A review on various research trends in micro-EDM. International Journal of Mechatronics and Manufacturing Systems, 2012, 5(5/6): 361–384160;

[57] Pham D T, Ivanov  A, Bigot S ,  An investigation of tube and rod electrode wear in micro EDM drilling. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2007, 33(1–2): 103–109

[58] Pham D T, Ivanov  A, Bigot S ,  A study of micro-electro discharge machining electrode wear. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Part C, Journal of Mechanical Engineering Science, 2007, 221(5): 605–612

[59] Dimov S, Pham  D T, Ivanov  A,  Tool-path generation system for micro-electro discharge machining milling. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Part B, Journal of Engineering Manufacture, 2003, 217(11): 1633–1637

[60] Tsai Y, Masuzawa  T. An index to evaluate the wear resistance of the electrode in micro-EDM. Journal of Materials Processing Technology, 2004, 149(1–3): 304–309

[61] Uhlmann E, Roehner  M. Investigations on reduction of tool electrode wear in micro-EDM using novel electrode materials. CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology, 2008, 1(2): 92–96

[62] Aligiri E, Yeo  S H, Tan  P C. A new tool wear compensation method based on real-time estimation of material removal volume in micro-EDM. Journal of Materials Processing Technology, 2010, 210(15): 2292–2303

[63] Bissacco G, Hansen  H N, Tristo  G,  Feasibility of wear compensation in micro EDM milling based on discharge counting and discharge population characterization. CIRP Annals—Manufacturing Technology, 2011, 60(1): 231–234

[64] Masuzawa T, Fujino  M, Kobayashi K ,  Wire electro-discharge grinding for micro-machining. CIRP Annals—Manufacturing Technology, 1985, 34(1): 431–434

[65] Rees A, Dimov  S S, Ivanov  A,  Micro-electrode discharge machining: Factors affecting the quality of electrodes produced on the machine through the process of wire electro-discharge machining. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Part B, Journal of Engineering Manufacture, 2007, 221(3): 409–418

[66] Uhlmann E, Piltz  S, Jerzembeck S . Micro-machining of cylindrical parts by electrical discharge grinding. Journal of Materials Processing Technology, 2005, 160(1): 15–23

[67] Qu J, Shih  A J, Scattergood  R O. Development of the cylindrical wire electrical discharge machining process, Part 1: Concept, design, and material removal rate. Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2002, 124(3): 702–707

[68] Qu J, Shih  A J, Scattergood  R O. Development of the cylindrical wire electrical discharge machining process, Part 2: Surface integrity and roundness. Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2002, 124(3): 708–714

[69] Rees A, Brousseau  E, Dimov S S ,  Wire electro discharge grinding: surface finish optimisation. Multi-Material Micro Manufacture, 2008, 1–4

[70] Meijer J. Laser beam machining (LBM), state of the art and new opportunities. Journal of Materials Processing Technology, 2004, 149(1–3): 2–17

[71] Knowles M R H ,  Rutterford G ,  Karnakis D ,  Micro-machining of metals, ceramics and polymers using nanosecond lasers. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2007, 33(1–2): 95–102

[72] Rizvi N H, Apte  P. Developments in laser micro-machining techniques. Journal of Materials Processing Technology, 2002, 127(2): 206–210

[73] Pham D T, Dimov  S S, Ji  C,  Laser milling as a ‘rapid’ micromanufacturing process. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Part B, Journal of Engineering Manufacture, 2004, 218(1): 1–7

[74] Corcoran A, Sexton  L, Seaman B ,  The laser drilling of multi-layer aerospace material systems. Journal of Materials Processing Technology, 2002, 123(1): 100–106

[75] Matsuoka Y, Kizuka  Y, Inoue T . The characteristics of laser micro drilling using a Bessel beam. Applied Physics. A, Materials Science & Processing, 2006, 84(4): 423–430

[76] Biswas R, Kuar  A S, Sarkar  S,  A parametric study of pulsed Nd: YAG laser micro-drilling of gamma-titanium aluminide. Optics & Laser Technology, 2010, 42(1): 23–31 

[77] Zheng H Y, Huang  H. Ultrasonic vibration-assisted femtosecond laser machining of microholes. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2007, 17(8): N58–N61

[78] Mao C, Sun  X, Huang H ,  Characteristics and removal mechanism in laser cutting of cBN-WC-10Co composites. Journal of Materials Processing Technology, 2016, 230: 42–49

[79] Petkov P V, Dimov  S S, Minev  R M,  Laser milling: Pulse duration effects on surface integrity. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Part B, Journal of Engineering Manufacture, 2008, 222(1): 35–45

[80] Preuss S, Demchuk  A, Stuke M . Sub-picosecond UV laser ablation of metals. Applied Physics. A, Materials Science & Processing, 1995, 61(1): 33–37

[81] von der Linde D ,  Sokolowski-Tinten K . The physical mechanisms of short-pulse laser ablation. Applied Surface Science, 2000, 154 – 155: 1–10

[82] Kautek W, Krueger  J. Femtosecond pulse laser ablation of metallic, semiconducting, ceramic, and biological materials. Laser Materials Processing: Industrial and Microelectronics Applications, 1994, 600–611

[83] Huang H, Zheng  H Y, Lim  G C. Femtosecond laser machining characteristics of Nitinol. Applied Surface Science, 2004, 228(1–4): 201–206 

[84] Dobrev T, Dimov  S S, Thomas  A J. Laser milling: Modelling crater and surface formation. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Part C, Journal of Mechanical Engineering Science, 2006, 220(11): 1685–1696

[85] Pham D T, Dimov  S S, Petkov  P V. Laser milling of ceramic components. International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2007, 47(3–4): 618–626

[86] Kim C S, Ahn  S H, Jang  D Y. Review: Developments in micro/nanoscale fabrication by focused ion beams. Vacuum, 2012, 86(8): 1014–1035

[87] Tseng A A. Recent developments in micromilling using focused ion beam technology. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2004, 14(4): R15–R34

[88] Tseng A A. Recent developments in nanofabrication using focused ion beams. Small, 2005, 1(10): 924–939

[89] Sugiyama M, Sigesato  G. A review of focused ion beam technology and its applications in transmission electron microscopy. Journal of Electron Microscopy, 2004, 53(5): 527–536

[90] Ahn S H, Chun  D M, Kim  C S. Nanoscale hybrid manufacturing process by nano particle deposition system (NPDS) and focused ion beam (FIB). CIRP Annals—Manufacturing Technology, 2011, 60(1): 583–586

[91] Ding X, Lim  G C, Cheng  C K,  Fabrication of a micro-size diamond tool using a focused ion beam. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2008, 18(7): 075017 

[92] Picard Y N, Adams  D P, Vasile  M J,  Focused ion beam-shaped microtools for ultra-precision machining of cylindrical components. Precision Engineering, 2003, 27(1): 59–69

[93] Shim S, Bei  H, Miller M K ,  Effects of focused ion beam milling on the compressive behavior of directionally solidified micropillars and the nanoindentation response of an electropolished surface. Acta Materialia, 2009, 57(2): 503–510

[94] Xu Z, Fang  F, Zhang S ,  Fabrication of micro DOE using micro tools shaped with focused ion beam. Optics Express, 2010, 18(8): 8025–8032

[95] Wu W, Xu  Z, Fang F ,  Decrease of FIB-induced lateral damage for diamond tool used in nano cutting. Nuclear Instruments & Methods in Physics Research. Section B, Beam Interactions with Materials and Atoms, 2014, 330: 91–98

[96] Li W, Minev  R, Dimov S ,  Patterning of amorphous and polycrystalline Ni 78 B 14 Si 8 with a focused-ion-beam. Applied Surface Science, 2007, 253(12): 5404–5410

[97] Li W, Lalev  G, Dimov S ,  A study of fused silica micro/nano patterning by focused-ion-beam. Applied Surface Science, 2007, 253(7): 3608–3614

[98] Wu S E, Liu  C P. Direct writing of Si island arrays by focused ion beam milling. Nanotechnology, 2005, 16(11): 2507–2511

[99] Chang T C, Hong  K B, Lai  Y Y,  ZnO-based microcavities sculpted by focus ion beam milling. Nanoscale Research Letters, 2016, 11(1): 319–325 

[100] Lu M, Russell  H, Huang H . Fracture strength characterization of protective intermetallic coatings on AZ91E Mg alloys using FIB-machined microcantilever bending technique. Journal of Materials Research, 2015, 30(10): 1678–1685

Acknowledgments

SG was sponsored by the Chinese Scholarship Council (CSC) under postdoctoral fellow program. HH would like to acknowledge the financial sponsorship from Australia Research Council (ARC) under Future Fellowship program.

Open Access

This article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International License (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/), which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided you give appropriate credit to the original author(s) and the source, provide a link to the Creative Commons license, and indicate if changes were made.

RIGHTS & PERMISSIONS

2017 The Author(s) 2017. This article is published with open access at link.springer.com and journal.hep.com.cn