Μικρο Νανοκατεργασίες. Δρ. Μηχ. Άγγελος Μαρκόπουλος

Transcript

1 Μικρο Νανοκατεργασίες Δρ. Μηχ. Άγγελος Μαρκόπουλος

2 Μηχανικές Μικροκοπές Οι μηχανικές μικροκοπές αναφέρονται στις κατεργασίες αποβολής υλικού με κοπτικά εργαλεία καθορισμένης γεωμετρίας, για την κατασκευή τρισδιάστατων αντικειμένων λίαν υψηλής ακριβείας με διαστάσεις από μερικές δεκάδες nm μέχρι μερικά mm. Πρόκειται ουσιαστικά για τις κλασσικές ή συμβατικές κοπές όπως τόρνευση, φρεζάρισμα, διάτρηση κ.α., όπως αυτές μεταφέρονται και εφαρμόζονται στο μικρόκοσμο. Οι διαφορές εντοπίζονται τόσο στην θεωρητική προσέγγιση όσο και στην πρακτική εφαρμογή. Μικρο νανοκατεργασίες 2

3 Σύγκριση δυνατοτήτων Μικρο νανοκατεργασίες 3

4 Μηχανική της κοπής Μοντέλο της ορθογωνικής κοπής Μικρο νανοκατεργασίες 4

5 Μικροκοπή Στη μικροκοπή ανακύπτουν μια σειρά από ζητήματα που καθιστούν την θεωρητική προσέγγιση της σημαντικά διαφορετική από την αντίστοιχη του μακρόκοσμου. Η κοπτική ακμή δεν μπορεί να θεωρηθεί οξεία. Τα κοπτικά εργαλεία έχουν αρνητική γωνία αποβλίττου και ο μηχανισμός εξώθησης υλικού στη ζώνη διάτμησης γίνεται αρκετά σημαντικός. Η ελαστική επαναφορά του υλικού στην κατεργασμένη επιφάνεια δεν μπορεί να αγνοηθεί. Η μικροδομή του υλικού παίζει ρόλο στο αποτέλεσμα της κοπής Μικρο νανοκατεργασίες 5

6 Ορθογωνική μικροκοπή Ακτίνα κοπτικής ακμής: 0,02 0,3 μm Βάθος κοπής: 0,01 10 μm Μικρο νανοκατεργασίες 6

7 Size effect Λόγω των παραπάνω εμφανίζεται το «φαινόμενο κλίμακας» γνωστό και ως size effect. Ως φαινόμενο κλίμακας ορίζεται η αύξηση της ειδικής ενέργειας και κατ επέκταση και της ειδικής δύναμης κοπής με μειούμενο βάθος κοπής. Το φαινόμενο αυτό είναι ιδιαίτερα έντονο για βάθη κοπής μικρότερα των 10 μm. Ρόλο παίζει και ο λόγος του πάχους απαραμόρφωτου αποβλίττου προς ακτίνα κοπτικής ακμής. Μικρο νανοκατεργασίες 7

8 Δύναμη με βάθος κοπής Μικρο νανοκατεργασίες 8

9 Ειδική δύναμη με βάθος κοπής Μικρο νανοκατεργασίες 9

10 Λόγοι εμφάνισης Η εμφάνιση του φαινόμενο κλίμακας αποδίδεται συνήθως σε δύο κύριες αιτίες. 1. Στην εξώθηση άρωση του κατεργαζόμενου υλικού εμπρός από το κοπτικό εργαλείο και την ελαστική επαναφορά στη πλευρά ελευθερίας (2 η και 4 η Ζώνη). 2. Στην αύξηση της αντοχής που παρουσιάζει το υλικό όταν η κοπή λαμβάνει χώρα σε πολύ μικρό όγκο υλικού (1 η και 3 η Ζώνη). Μικρο νανοκατεργασίες 10

11 Ορθογωνική μικροκοπή Ακτίνα κοπτικής ακμής: 0,02 0,3 μm Βάθος κοπής: 0,01 10 μm Μικρο νανοκατεργασίες 11

12 Ορθογωνική μικροκοπή Η ονομαστική γωνία αποβλίττου και το προφίλ του κοπτικού εργαλείου επηρεάζουν τις δυνάμεις κοπής και άπωσης. Ωστόσο, για βάθος κοπής που προσεγγίζει την ακτίνα καμπυλότητας του κοπτικού εργαλείου, η ενεργή γωνία αποβλίττου είναι σημαντικότερη. Μικρο νανοκατεργασίες 12

13 Πειραματική μελέτη Οι περισσότερες έρευνες συμφωνούν ότι μεγάλο ρόλο στο φαινόμενο παίζει η ακτίνα καμπυλότητας της κοπτικής ακμής. Αποδίδεται δε στο γεγονός ότι για μειωμένο βάθος κοπής η συμμετοχή των δυνάμεων άρωσης και τριβής στη συνολική δύναμη κοπής είναι αρκετά σημαντική. Οι δυνάμεις αυτές είναι ανεξάρτητες του βάθους κοπής και για το λόγο αυτό σε μικρά βάθη κοπής αποτελούν μεγάλο μέρος της συνολική δύναμης κοπής. Μικρο νανοκατεργασίες 13

14 Δυνάμεις κοπής και άπωσης Το παραπάνω συμπέρασμα ενισχύεται από την παρατήρηση ότι για μειούμενο βάθος κοπής η ειδική δύναμη άπωσης αυξάνεται με μεγαλύτερο ρυθμό από την ειδική δύναμη κοπής, στη διεύθυνση της κοπής. Η κατάσταση δε της κοπτικής ακμής (φθορά κοπτικού εργαλείου) επηρεάζει σημαντικά τη δύναμη άπωσης. Μικρο νανοκατεργασίες 14

15 Διαταραχές του υλικού Είναι γνωστό ότι η ικανότητα ενός μετάλλου να παραμορφώνεται πλαστικά εξαρτάται από την ικανότητα των διαταραχών να κινούνται. Εφόσον η σκληρότητα και η αντοχή σχετίζονται με την ευκολίαμετηνοποίαμπορείνασυμβείηπλαστική παραμόρφωση, μειώνοντας την κινητικότητα των διαταραχών, ημηχανικήαντοχήμπορείνααυξηθεί και να απαιτούνται μεγαλύτερες δυνάμεις για να επιφέρουν πλαστική παραμόρφωση. Επιπλέον, όταν η παραμόρφωση λαμβάνει χώρα σε μικρό όγκο υπάρχει σημαντικά μειωμένος αριθμός ατελειών που απαντώνται στο κατεργαζόμενο υλικό, με αποτέλεσμα η αντοχή του να παρουσιάζεται αυξημένη. Μικρο νανοκατεργασίες 15

16 Ελάχιστο πάχος αποβλίττου Λόγω των συνθηκών υπό τις οποίες πραγματοποιείται η μικροκοπή εισάγεται η έννοια του ελάχιστου πάχους απαραμόρφωτου αποβλίττου που αφαιρείται από την επιφάνεια τεμαχίου από κοπτική ακμή, υπό τέλεια απόδοση του συστήματος αφαίρεσης υλικού (χωρίς αποκλίσεις). Πρόκειται για ένα σημαντικό μέγεθος που έχει επίδραση στις δυνάμεις κοπής, στη σταθερότητα της κατεργασίας και την ποιότητα της επιφάνεια που προκύπτει από τη μικροκατεργασία. Μικρο νανοκατεργασίες 16

17 Παράδειγμα Σε κατεργασίες όπως το μικροφρεζάρισμα, όπου το πάχος του αποβλίττου μεταβάλλεται κατά τη διάρκεια της κοπτικής διαδρομής ενός οδόντα, ηδράσητηςκοπτικήςακμήςμπορείνα αλλάξει από κοπτική σε άρωσης και ξανά σε κοπτική, ακόμη και εντός της ίδιας διαδρομής της ακμής ενός οδόντα της φρέζας. Μικρο νανοκατεργασίες 17

18 Ύπαρξη του ΕΠΑ Η ύπαρξη του ελαχίστου πάχους αποβλίττου επαληθεύεται πειραματικά. 1. Με μέτρηση του όγκου αποβλίττου και σύγκριση με την θεωρητική τιμή. 2. Με μέτρηση της απόστασης του ίχνους της κατεργασίας στο κατεργαζόμενο τεμάχιο και σύγκριση με την πρόωση. Και στις δύο περιπτώσεις διαπιστώνεται ότι δεν υπάρχει παραγωγή αποβλίττου σε κάθε πάσο. Μικρο νανοκατεργασίες 18

19 Πειραματική μελέτη Αποτελέσματα πειραμάτων με εργαλεία με ακτίνα καμπυλότητας στις κοπτικές ακμές της τάξης των 10 nm, έδειξαν ότι το ελάχιστο πάχος αποβλίττου εξαρτάται περισσότερο από την οξύτητα της κοπτικής ακμής παρά από τις συνθήκες επαφής εργαλείου τεμαχίου και μπορεί να πάρει τιμές της τάξης του 1/10 της ακτίνας της κοπτικής ακμής. Μικρο νανοκατεργασίες 19

20 Πειραματική μελέτη 2 Σε πειραματικές εργασίες, όμως, όπου η ακτίνα της κοπτικής ακμής είναι της τάξης των 5 μm, το ελάχιστο πάχος αποβλίττου εκτιμήθηκε στην περιοχή του 0,3. Εκτός από την οξύτητα του εργαλείου, ρόλο παίζει το είδος της κατεργασίας, η πρόωση καθώς και το υλικό του κατεργαζόμενου τεμαχίου. Μαλακότερα υλικά εμφανίζουν μεγαλύτερη επιφανειακή τραχύτητα από ότι τα σκληρότερα. Μικρο νανοκατεργασίες 20

21 Θερμοκρασίες κοπής Η θερμοκρασίες που αναπτύσσονται κατά την μικροκοπή είναι σημαντικά μικρότερες από τις αντίστοιχες των μακροκατεργασιών. Αυτό οφείλεται στη μικρή ενέργεια κοπής αλλά και στην αγωγιμότητα των εργαλείων και των κατεργαζόμενων υλικών. Μικρή αύξηση της θερμοκρασίας, όμως, μπορεί να οδηγήσει σε διαστολή του εργαλείου, του εργαλειοφορείου ή του τεμαχίου με συνεπακόλουθο τον περιορισμό της επιτευχθείσας ακρίβειας της κατεργασίας. Μικρο νανοκατεργασίες 21

22 Φθορά εργαλείων Η φθορά του εργαλείου είναι εξίσου ή και πιο σημαντική από ότι στις μακροκατεργασίες. Αντίθετα όμως με τις κλασσικές κατεργασίες, το κοπτικό εργαλείο δε φθείρεται σταδιακά αλλά σπάει απότομα. Η θραύση οφείλεται στις (σχετικά) μεγάλες δυνάμεις κοπής, οι οποίες και υπό την επίδραση του στομώματος των κοπτικών ακμών, ξεπερνούν το όριο αντοχής του υλικού του μικρών διαστάσεων κοπτικού εργαλείου. Μικρο νανοκατεργασίες 22

23 Επίδραση της μικροδομής Το μήκος των κόκκων στα συνήθη κατεργαζόμενα υλικά (100nm-100μm) είναι συγκρίσιμο με τα χαρακτηριστικά της μικροκοπής (πάχος απαραμόρφωτου αποβλίττου, ακτίνα καμπυλότητας κοπτικής ακμής, τραχύτητα κλπ). Η μικροδομή του υλικού επηρεάζει το αποτέλεσμα της μικροκοπής Συχνά η αφαίρεση υλικού λαμβάνει χώρα σε ένα κόκκο, αλλά είναι πιο σύνηθες να συμμετέχουν πιο πολλοί κόκκοι ενός πολυκρυσταλλικού υλικού. Μικρο νανοκατεργασίες 23

24 Πολυκρυσταλλικά υλικά Έχει βρεθεί πειραματικά ότι ο προσανατολισμός των κόκκων του υλικού επηρεάζει τις δυνάμεις κοπής. Η ανισοτροπία ενός υλικού επηρεάζει εκτός από τις δυνάμεις και την προκύπτουσα επιφανειακή τραχύτητα. Για πολυφασικά υλικά παρατηρείται διαφοροποίηση των δυνάμεων καθώς το κοπτικό εργαλείο διέρχεται από διαφορετικές φάσεις. Στα υλικά αυτά και η τραχύτητα είναι μεγαλύτερη σε σχέση με τα μονοφασικά υλικά. Το φαινόμενο αποδίδεται στη διακοπή της δημιουργίας αποβλίττου (διακοπτόμενο απόβλιττο), το μέγεθος του οποίου ταυτίζεται με το μέγεθος των κόκκων των φάσεων. Μικρο νανοκατεργασίες 24

25 Μοντελοποίηση των κοπών Η πιο συνήθης μέθοδος μοντελοποίησης των κατεργασιών αποβολής υλικού είναι η μέθοδος των Πεπερασμένων Στοιχείων. Βασίζεται στο μοντέλο της ορθογωνικής κοπής. Τα μοντέλα πεπερασμένων στοιχείων είναι σε θέση να προβλέψουν δυνάμεις κοπής, θερμοκρασίες, τάσεις, παραμορφώσεις κ.α. με αρκετή επιτυχία. Η πρόοδος στην τεχνολογία των προσωπικών υπολογιστών και η ευρεία διάδοση προγραμμάτων πεπερασμένων στοιχείων από μεγάλες εταιρίες λογισμικού έχουν καταστήσει τη μέθοδο αναπόσπαστο κομμάτι της μελέτης των κατεργασιών. Μικρο νανοκατεργασίες 25

26 ΠΣ στη μικροκοπή Τα μοντέλα πρέπει να είναι σε προβλέπουν το φαινόμενο κλίμακας. θέση να Αυτό επιτυγχάνεται με: 1. Προσεκτικό σχεδιασμό των κοπτικών εργαλείων ώστε να προσεγγίζουν τις συνθήκες αποβολής του υλικού σε μικροσκοπικό επίπεδο 2. Μοντέλα υλικών που να περιγράφουν ακριβέστερα τη συμπεριφορά τους στις ειδικές συνθήκες της μικροκοπής 3. Ακριβέστερα μοντέλα τριβής για τις ζώνες επαφής εργαλείου κατεργαζόμενου τεμαχίου. Μικρο νανοκατεργασίες 26

27 r=1 μm r=2 μm r=5 μm r=10 μm Μικρο νανοκατεργασίες 27

28 Παραμόρφωση τεμαχίου Παραμόρφωση Μικρο νανοκατεργασίες 28

29 Μοντέλο πολυφασικού υλικού Μικρο νανοκατεργασίες 29

30 Μέθοδος Μοριακής Δυναμικής Η μέθοδος της Μοριακής Δυναμικής (Molecular Dynamics MD)βασίζεται στον υπολογισμό των δυνάμεων μεταξύ ατόμων. Για τη μοντελοποίηση της διαδικασίας αποβολής υλικού πρέπει να αντιπροσωπεύονται ορθά οι διατομικές δυνάμεις μεταξύ διαφόρων συνδυασμών ατόμων (το λεγόμενο δυναμικό). Για την προσομοίωση του δυναμικού στο σύστημα της κοπής απαιτείται μεγάλη υπολογιστική ισχύς, γεγονός που καθιστά τη μέθοδο κατάλληλη για προσομοίωση μικρού μήκους κοπής και για χαρακτηριστικά της τάξης του νανομέτρου ή του Angtrom. Επιπλέον, υπολείπεταιστηνπροσομοίωσητωνυλικώνως συνεχών μέσων. Η μέθοδος, όμως αυτή, θεωρείται ως η πλέον κατάλληλη για τη μοντελοποίηση νανοκατεργασιών. Μικρο νανοκατεργασίες 30

31 Παράδειγμα προσομοίωσης Μικρο νανοκατεργασίες 31

32 Κοπή στη νανοκλίμακα Μικρο νανοκατεργασίες 32

33 Μικροτόρνευση Με τη μικροτόρνευση μπορούν να παραχθούν εξαρτήματα διαφόρων σχημάτων και να κατεργαστούν διάφορες κατηγορίες υλικών. Επιτυγχάνονται τιμές επιφανειακής τραχύτητας μέχρι και 5 nm για αντικείμενα διαστάσεων 1 μm. Ενδιαφέρον παρουσιάζουν τα κοπτικά εργαλεία τα οποία μπορεί να αποτελούνται από τα συνήθη υλικά που χρησιμοποιούνται και στην τόρνευση, αλλά ιδιαίτερο ενδιαφέρον έχουν τα εργαλεία από διαμάντι. Μικρο νανοκατεργασίες 33

34 Διαμάντι ως κοπτικό Το διαμάντι έχει τις πιο επιθυμητές ιδιότητες που πρέπει να διαθέτει ένα κοπτικό εργαλείο. 1. Έχει τη μέγιστη σκληρότητα, που το καθιστά ικανό να παραμορφώνει κάθε άλλο υλικό. 2. Έχει υψηλό μέτρο ελαστικότητας, σχεδόν 5πλάσιο από εκείνο του χάλυβα, με αποτέλεσμα να του εξασφαλίζει υψηλή ειδική ακαμψία που του επιτρέπει να αντέχει σε υψηλά φορτία κοπής υφιστάμενο μικρή παραμόρφωση. Αυτή η μικρή παραμόρφωση της κοπτικής ακμής βοηθά στην επίτευξη υψηλής ακρίβειας κατεργασιμότητα. 3. Η τάση θραύσης σε εφελκυσμό είναι συγκρίσιμη με αυτή των χαλύβων υψηλής αντοχής, με τη διαφορά ότι το διαμάντι διατηρεί αυτή την υψηλή αντοχή ακόμη και σε υψηλές θερμοκρασίες. 4. Διαθέτει τη μεγαλύτερη θερμική αγωγιμότητα σε θερμοκρασία περιβάλλοντος από όλα τα υλικά και είναι χημικά αδρανές υλικό. Χημική αδράνεια δεν υφίσταται μόνο σε περίπτωση που το κατεργαζόμενο υλικό είναι σε θέση να απορροφήσει άνθρακα εύκολα. Μικρο νανοκατεργασίες 34

35 Είδη διαμαντιού Το διαμάντι που χρησιμοποιείται ως κοπτικό εργαλείο συναντάται ως φυσικός μονοκρύσταλλος, πολυκρυσταλλικό διαμάντι και συνθετικό διαμάντι με το πρώτο να θεωρείται ως το πλέον κατάλληλο υλικό για μικροκατεργασίες. Μικρο νανοκατεργασίες 35

36 Εργαλεία Μικρο νανοκατεργασίες 36

37 Παραγόμενα αντικείμενα Τα αντικείμενα που παράγονται με μικροτόρνευση είναι αντικείμενα μικρής διαμέτρου όπως άξονες, ακροφύσια, ηλεκτρόδια για EDM, κοχλίες αλλά και αντικείμενα όπου χρειάζεται εξαιρετική ποιότητα επιφανείας όπως, φακοί και καλούπια. Μικρο νανοκατεργασίες 37

38 Παράδειγμα μικροτόρνευσης n=4000rpm a=100μm 0,1 μm για D=1,5 mm 25μm Μικρο νανοκατεργασίες 38

39 Εργαλειομηχανές μικροτόρνευσης Οι εταιρίες που ασχολούνται με το θέμα αυτό προέρχονται από τρεις διαφορετικές κατηγορίες: 1. Τις εταιρίες που παραδοσιακά ασχολούνται με κατεργασίες ακριβείας (Swiss lathes). 2. Μεγάλες εταιρίες του χώρου που βελτίωσαν ή σχεδίασαν εκ νέου τα προϊόντα του για να καλύπτουν και το χώρο αυτό. 3. Μικρότερες εταιρίες που εξειδικεύονται στο χώρο αυτό προσφέροντας καινοτόμες λύσεις. Μικρο νανοκατεργασίες 39

40 Παραδείγματα Μικρο νανοκατεργασίες 40

41 Μικροδιάτρηση Η κατεργασία αυτή χρησιμοποιείται κυρίως για τη διάνοιξη μικροοπών (διαμέτρου μερικών μm) σε μεγαλύτερες κατασκευές όπως π.χ. σε εγχυτήρες και κάρτες ηλεκτρονικών εξαρτημάτων. Παράδειγμα: οι οπές στην κεφαλή ενός inkjet εκτυπωτή είναι 251 στη σειρά με διάμετρο 50 μm ηκαθεμία. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιούνται μικροδράπανα με διαμέτρους 5 50 μm. Μικρο νανοκατεργασίες 41

42 Μικροδράπανα Η μικροδιάτρηση χαρακτηρίζεται όχι μόνο από τα μικρών διαστάσεων δράπανα αλλά και από την υψηλή ακρίβεια περιστροφής του μικροδραπάνου και τον εφαρμοζόμενο ειδικό κύκλο διάτρησης (peck cycle). Τα τοιχώματα των μικροοπών που ανοίγονται ανήκουν στις πιο λείες επιφάνειες που αποδίδονται μέσω συμβατικών κατεργασιών (οφείλεται κυρίως στον ειδικό κύκλο διάτρησης). Τα μικροδράπανα κατασκευάζονται συνήθως από κοβαλτιούχο χάλυβα ή μικρόκοκκο καρβίδιο του βολφραμίου (WC). Μικρο νανοκατεργασίες 42

43 Παραδείγματα μικροδραπάνων Μικρο νανοκατεργασίες 43

44 Μορφή εργαλείων Οι περισσότερες μικροδιατρήσεις γίνονται με ελικοειδή δράπανα, τα οποία όμως έχουν σχετικά μεγάλες διαμέτρους. Για μικρότερες διαμέτρους χρησιμοποιούνται τα μικρότερα δράπανα τύπου φτυαριού. Σταμικροδράπανααυτάηκόψηκορυφής αφαιρεί υλικό κυρίως με συμπίεση (εξώθηση) τουυλικούκαικοπήσεεξόχως μεγάλες αρνητικές γωνίες αποβλίττου. Μικρο νανοκατεργασίες 44

45 Spade drills Η μη σημειακή μορφή της κόψης κορυφής εισάγει περιπλοκές στη διαδικασία διάτρησης. Κατά την πρώτη επαφή της με το τεμάχιο (να σημειωθεί ότι το δράπανο έχει πολύ μικρή δομική ακαμψία), οποιαδήποτε ανωμαλία στην επιφάνεια (μικροτραχύτητα, κλίση, κλπ.) θα προκαλέσει ολίσθηση του πάνω στην κατεργαζόμενη επιφάνεια πριν αρχίσει να αφαιρεί υλικό. Η ολίσθηση χαρακτηρίζεται από μία έκκεντρη κίνηση του δραπάνου, καθώς τούτο περιστρέφεται, η οποία ίσως συνδυάζεται και με κάμψη του περί τον διαμήκη άξονά του. Ανάλογα με την πρόωση ανά περιστροφή του δραπάνου κατά την έναρξη διάνοιξης οπής μπορεί να εκκινήσει η διάτρηση υπό κλίση. Εάν συνεχιστεί η διάτρηση με τέτοιες συνθήκες, το δράπανο θα σπάσει πάρα πολύ γρήγορα. Εάν το δράπανο είναι αρκετά στιβαρό, ώστε να αντέξει στις αναπτυσσόμενες υψηλές τάσεις που υφίσταται λόγω της κλίσης, η αποδιδόμενη οπή θα έχει εκκεντρότητα ως προς την κατακόρυφη στην κατεργαζόμενη επιφάνεια. Μικρο νανοκατεργασίες 45

46 Μικροφρεζάρισμα Το μικροφρεζάρισμα έχει περιορισμένη χρήση στις μικροκατεργασίες εξαιτίας της δυσκολίας που να ανακύπτει για την κατασκευή των εργαλείων. Εξαίρεση αποτελεί το περιφερικό φρεζάρισμα άκρου (end milling) και το φρεζάρισμα εγκοπών (slot milling) όπου τα εργαλεία (κοντύλια) κατασκευάζονται ευκολότερα. Ωστόσο, τα είδη αυτά του φρεζαρίσματος χαρακτηρίζονταιαπότιςπιοέντονεςσυνθήκες κοπής σε σύγκριση με τις υπόλοιπες μικροκατεργασίες. Μικρο νανοκατεργασίες 46

47 Κοπτικά εργαλεία Μηχανές Χρησιμοποιούνται τα ίδια υλικά εργαλείων όπως και στις υπόλοιπες μικροκοπές. Ιδιαίτερα χρησιμοποιούνται εργαλεία από διαμάντι για κοπές μη σιδηρούχων υλικών. Τα κέντρα κατεργασιών που χρησιμοποιούνται στη μικροτόρνευση είναι συνήθως ικανά να φέρουν εις πέρας κατεργασίες μικροφρεζαρίσματος. Μικρο νανοκατεργασίες 47

48 Εργαλεία 100 μm Μικρο νανοκατεργασίες

49 Παραδείγματα κατεργασιών Μικρο νανοκατεργασίες 49

50 Αυλάκια Μικρο νανοκατεργασίες 50

51 Σπείρες Μικρο νανοκατεργασίες 51

52 Μικροκατεργασία με υπερήχους Η κατεργασία αυτή χρησιμοποιεί ένα εργαλείο που δονείται με πολύ υψηλή συχνότητα και μια συνεχή ροή ενός παχύρρευστου κοπτικού διαλύματος που διοχετεύεται στο διάκενο εργαλείου τεμαχίου. Η παλινδρόμηση του εργαλείου έχει εύρος 0,025 mm και συχνότητες από 20 έως 100 khz. Το κοπτικό διάλυμα αποτελείται από νερό ή λάδι και λειαντικά στοιχεία μεγέθους 0,008 mm έως το πολύ 0,5 mm από CBN ή οξείδιο του αργιλίου σε σύσταση % wt. Μικρο νανοκατεργασίες 52

53 Micro-Ultrasonic Machining, Micro-USM Το εργαλείο, το οποίο είναι συνήθως από ανοξείδωτο ατσάλι ή μπρούντζο, προωθείται σταδιακά στην επιφάνεια του τεμαχίου επιτυγχάνοντας τη διάνοιξη οπής. Η πρόσπτωση των πολύ σκληρών κοπτικών κόκκων προκαλεί θραύση του υλικού που απομακρύνεται μαζί με το παχύρρευστο υγρό. Με τον τρόπο αυτό μπορεί να γίνει «δραπάνισμα χωρίς δράπανο» και με πολύ μικρή φθορά του εργαλείου. Μικρο νανοκατεργασίες 53

54 Micro-USM Η μέθοδος αυτή δεν είναι θερμική, ηλεκτρική ή χημική και γι αυτό παράγει επιφάνειες που δεν έχουν παραμένουσες τάσεις και εξαιτίας τούτου είναι κατάλληλη για την κατεργασία σκληρών και ψαθυρών υλικών όπως καρβίδια, ημιαγωγούς, κεραμικά κλπ. Στο σχήμα παρουσιάζεται μια οπή διαμέτρου 640 μm κατασκευασμένη με μικροκατεργασία με υπέρηχους και μια ίδια οπή κατασκευασμένη μεlaser όπου φαίνεται η επίδραση της θερμικής φόρτισης στη δεύτερη περίπτωση. Μικρο νανοκατεργασίες 54

55 Μικροκοπή με δέσμη ύδατος Η αποβολή του υλικού επιτυγχάνεται με την κρούση μιας δέσμης ύδατος υψηλής ταχύτητας ( m/s καιπίεσημέχρικαι 400 MPa) και μικρής διαμέτρου (0,07 0,5 mm) πάνω στο τεμάχιο, ηοποίαδραωςκοπτικόεργαλείο. Στο νερό πολλές φορές γίνεται προσθήκη άλλων υγρών όπως αλκοόλες, έλαια και γλυκερίνη. Η τεχνική χρησιμοποιείται συνήθως για την κοπή μαλακών, μη μεταλλικών υλικών, π.χ. πλεξιγκλάς, ενώ οι ανοχές καθορίζονται από τον τύπο και το πάχος του υλικού και είναι συνήθως μεταξύ ±0,1 0,2 mm. Μικρο νανοκατεργασίες 55

56 Micro-Water Jet Machining, Micro-WJM Με την προσθήκη λειαντικών κόκκων στη δέσμη ύδατος είναι δυνατόν να κατεργαστούν μέταλλα και κεραμικά. Ηπαραλλαγή αυτή (abrasive water jet) ομοιάζει με τη λείανση μόνο που οι δυνάμεις και οι κινήσεις παρέχονται από το νερό και όχι από έναν λειαντικό τροχό. Η κατεργασία έχει σαν αποτέλεσμα λείες επιφάνειες οι οποίες όμως δεν έχουν επηρεαστεί θερμικά. Επιπροσθέτως, η κατεργασία θεωρείται οικολογική. Μια άλλη παραλλαγή είναι η κατεργασία με δέσμη λειαντικών κόκκων (abrasive jet machining). Το υλικό αφαιρείται με κρούση σκληρών λειαντικών σωματιδίων (διαμέτρου μέχρι 50 μm) που βρίσκονται αιωρούμενα σε μια δέσμη αερίου που κινείται με μεγάλη ταχύτητα ( m/s). Κατεργάζονται συνήθως σκληρά και ψαθυρά υλικά και χρησιμοποιούνται στην κατασκευή ρηχών οπών σε ηλεκτρονικά εξαρτήματα. Η μέθοδος είναι γρήγορη, μπορεί να παράγει χαρακτηριστικά μικρότερα από 50 μm ενώ χρησιμοποιώντας κλίση στη δέσμη παρασκευάζονται 3D δομές σύνθετου σχήματος. Μικρο νανοκατεργασίες 56

57 Ηλεκτροχημική λείανση Στην κατεργασία αυτή ένας ηλεκτρικά αγώγιμος λειαντικός τροχός, η κάθοδος, και ένα τεμάχιο που παίζει το ρόλο της ανόδου, ενώνονται με μια πηγή συνεχούς ρεύματος χαμηλής τάσης. Το σύστημα βρίσκεται βυθισμένο μέσα σε έναν ηλεκτρολύτη και τα λειαντικά στοιχεία στην επιφάνεια του τροχού αφαιρούν το ηλεκτροχημικά διαλυμένο υλικό απ την επιφάνεια του τεμαχίου. Η λειαντική δράση αποτελεί μόλις το 10% της όλης διαδικασίας αφαίρεσης υλικού ενώ το υπόλοιπο ποσοστό οφείλεται στην ηλεκτροχημική δράση. Μικρο νανοκατεργασίες 57

58 Ηλεκτροχημική κοπή Ισχύουν τα ίδια με πριν μόνο που το εργαλείο δεν είναι λειαντικός τροχός αλλά εργαλείο κατάλληλου σχήματος και υλικού προκειμένου να πραγματοποιείται η δημιουργία αποβλίττου. Επειδή δεν υπάρχει επαφή εργαλείου τεμαχίου το εργαλείο δεν χρειάζεται να είναι σκληρότερο από το τεμάχιο και έτσι η κατεργασία αυτή χρησιμοποιείται (όπως και η EDM) για την κατεργασία πολύ σκληρών υλικών. Άλλα πλεονεκτήματα της μεθόδου είναι το χαμηλό κόστος κατεργασίας, ο μικρός όγκος αποβλίττου, η μικρή φθορά εργαλείου, η πλήρης αυτοματοποίηση της κατεργασίας και η καλή ποιότητα επιφάνειας. Τα μειονεκτήματα είναι το αρχικό κόστος απόκτησης του εξοπλισμού, η δυσκολία κατασκευής των εργαλείων και η διαβρωτική δράση του ηλεκτρολύτη. Η τεχνική αυτή έχει βρει εφαρμογή στην κατασκευή πτερυγίων τουρμπίνων, ακρο φυσίων καυσίμων και στην αεροδιαστημική βιομηχανία. Μικρο νανοκατεργασίες 58

59 Μικρο Ηλεκτροδιάβρωση (Micro- EDM) Η κατεργασία αυτή χρησιμοποιείται παραδοσιακά για την κατασκευή ασυνήθιστων γεωμετριών σε σκληρά και ψαθυρά υλικά. Το υλικό απομακρύνεται με τη βοήθεια ηλεκτρικών σπινθήρων υψηλής συχνότητας που δημιουργούνται μεταξύ ενός εργαλείου (κάθοδος) και του τεμαχίου (άνοδος), τα οποία βρίσκονται βυθισμένα σε διηλεκτρικό υγρό. Στην EDM αποτύπωσης το εργαλείο έρχεται σε απόσταση 25 μm από το τεμάχιο και αρχίζουν να παράγονται σπινθήρες με ρυθμό της τάξεως των ανά s. Κάθε σπινθήρας προκαλεί ανύψωση της θερμοκρασίας τοπικά μέχρι και τους ο C (συγκέντρωση ισχύος W/mm 2 ). Το αποτέλεσμα είναι το λιώσιμο και η εξάτμιση μετάλλου από το εργαλείο και το τεμάχιο (επιλέγεται η πολικότητα και το υλικό εργαλείου ώστε η φθορά εργαλείου τεμαχίου να είναι της τάξεως του 5 % 95 %) το οποίο απομακρύνεται με το διηλεκτρικό. Μικρο νανοκατεργασίες 59

60 Micro-EDM Οι ρυθμοί αποβολής υλικού κυμαίνονται από 0,001 0,1 cm 3 /h και εξαρτώνται από τις θερμικές ιδιότητες, π.χ. θερμική αγωγιμότητα και θερμοκρασία τήξης του υλικού του τεμαχίου και λιγότερο από τη σκληρότητα. Ο ρυθμός αποβολής υλικού αυξάνει με αύξηση της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου, το ίδιο όμως και η επιφανειακή τραχύτητα. Αύξηση της συχνότητας των παλμών οδηγεί σε μείωση της τραχύτητας. Συνήθεις τιμές τραχύτητας για την παραδοσιακή EDM είναι 1 3 μm αλλά μπορεί να επιτευχθεί μέχρι και 0,25 μm. Οπές διαμέτρου 0,3 mm και μήκους 20 mm είναι εφικτές. Η μικρο EDM μπορεί να επιτύχει διαμέτρους οπών μm σε βάθος 3 5 φορές τη διάμετρο με ακρίβεια ± 0,5 μm. Υπό τις κατάλληλες συνθήκες τραχύτητα 0,1 μm είναι εφικτή. Οι μικροοπές αυτές χρησιμοποιούνται στην κατασκευή των ακροφυσίων των ink jet εκτυπωτών, των εγχυτήρων καυσίμων (fuel injection), των πτερυγίων στροβιλομηχανών και των μητρών διέλασης. Μειονεκτήματα της μεθόδου είναι η μικρή ταχύτητα αποβολής υλικού, η ανάγκη κάποιας ελάχιστης αγωγιμότητας του υλικού του τεμαχίου και το συγκριτικά μεγάλο πάχος θερμικά επηρεασμένου υλικού που δημιουργείται. Μικρο νανοκατεργασίες 60

61 Κατεργασίες με laser Η κατεργασία με laser πρωτοεμφανίστηκε στις αρχές της δεκαετίας του 70 και περιελάμβανε την κοπή μεταλλικών ελασμάτων και εφαρμογές συγκολλήσεων στην αυτοκινητοβιομηχανία. Σήμερα, χρησιμοποιείται επιπλέον και για ποικιλία μικροκατεργασιών με το πλεονέκτημα ότι η δέσμη χρησιμοποιείται για τον έλεγχο της ίδιας της κατεργασίας. Υπάρχουν διάφορες παράμετροι που μπορούν να ελεγχθούν προκειμένου να επιτευχθεί το επιθυμητό αποτέλεσμα, όπως το μήκος κύματος, το μέγεθος του σημείου εστίασης, η ένταση της ακτίνας, το βάθος εστίασης και η διάρκεια παλμού. Μικρο νανοκατεργασίες 61

62 Μήκος κύματος Σημείο εστίασης Μήκος Κύματος: Εξαρτάται από την πηγή που προέρχεται το φως. Παίζεισημαντικόρόλοστοφαινόμενοεξαέρωσης, όπου το υλικό περνάει από τη στερεή φάση στην αέρια χωρίς το ενδιάμεσο στάδιο της υγρής, και θεωρείται ότι όσο μικρότερο είναι τόσο πιο εύκολα επιτυγχάνεται. Πολύ μικρό μήκος κύματος, τηςτάξεωςτων200 nm, προκαλεί το σπάσιμο των δεσμών του υλικού, αφού τα φωτόνια έχουν αρκετή ενέργεια για κάτι τέτοιο, ενώ για μεγαλύτερα μήκη το κάθε φωτόνιο δεν έχει την απαιτούμενη ενέργεια. Σημείο εστίασης: Αν δεν ελέγχεται η διάμετρος της δέσμης, η περιοχή εξαέρωσης μπορεί να είναι μεγαλύτερη από την επιθυμητή και να δημιουργείται κλίση στα τοιχώματα της οπής. Αν στόχος της κατεργασίας είναι η κατασκευή χαρακτηριστικών πολύ μικρού μεγέθους, το μέγεθος του σημείου εστίασης είναι πολύ σημαντικό. Αυτό εξαρτάται από πολλούς παράγοντες αλλά χοντρικά είναι περίπου ίσο με το μισό του μήκους κύματος. Μικρο νανοκατεργασίες 62

63 Ένταση ακτίνας Βάθος εστίασης Ένταση ακτίνας: Ορίζεται η μέγιστη ισχύς προς το μέγεθος του σημείου εστίασης. Η μέγιστη ισχύς δε ισούται με την ενέργειατουπαλμούπροςτηδιάρκειατου. Η ένταση αυτή μπορεί να φτάσει μέχρι και 106 W/mm 2, αρκετή για να λιώσει κάθε μέταλλο. Βάθος εστίασης: Ορίζεται από τον παρακάτω τύπο: 8λM DOF = ± π όπου λ το μήκος κύματος, Μσταθερά, fτο μήκος εστίασης του φακού και d o η διάμετρος της ακτίνας στο φακό εστίασης. Μικρό βάθος εστίασης χρησιμοποιείται στην κατεργασία επίπεδων επιφανειών. Επιφάνειες με ανώμαλη τοπολογία χρειάζονται μεγαλύτερο βάθος εστίασης. 2 f d o 2 Μικρο νανοκατεργασίες 63

64 Διάρκεια παλμού Με βάση το μήκος του παλμού του laser υπάρχουν τρεις διαφορετικές περιπτώσεις: κατεργασίες με βραχείς, υπερβραχείς και μακρούς παλμούς (CW). Στουςβραχείςοπαλμόςδιαρκείπάνωαπό10 ps ενώ στους υπερβραχείς είναι μικρότερος από 10 ps, συνήθως κλάσμα του χρόνου αυτού. Στην τελευταία περίπτωση ο παλμός μπορεί να είναι συνεχής και ο χρόνος είναι μεγαλύτερος από 0,25 s. Κάθε είδος έχει τις δικές του εφαρμογές. Οι βραχείς παλμοί χρησιμοποιούνται στην περίπτωση όπου δε χρειάζεται η κατεργασία να γίνει εν κενώ, είναι όμως αρκετά πιο αργή (σε αντίθεση με άλλες κατεργασίες όπως η κατεργασία ηλεκτρονίων). Με τους υπερβραχείς παλμούς μεγάλη ποσότητα ενέργειας συσσωρεύεται στην επιφάνεια του υλικού σε πολύ μικρό χρόνο που το υλικό οδηγείται σε μια κατάσταση πλάσματος. Το υλικό περνάει από τη στερεή φάση στην αέρια. Το πλάσμα φεύγει από το υλικό παίρνοντας μαζί του όλη τη θερμότητα, αφήνοντας ανεπηρέαστο το υλικό. Η τρίτη περίπτωση χρησιμοποιείται συνήθως στις συγκολλήσεις όπου η διάρκεια παλμού είναι μεγαλύτερη από το ρυθμό διάχυσης της θερμότητας στο υλικό. Αυτό είναι ανεπιθύμητο στις μικροκατεργασίες γιατί η θερμότητα διαχέεται και στα γειτονικά κομμάτια υλικού προκαλώντας αποτελέσματα όπως μικρορωγμές, παραμένουσες τάσεις, παραμόρφωση στην επιφάνεια, μείωση της ακρίβειας κ.α. Μικρο νανοκατεργασίες 64

65 Ανεπιθύμητα φαινόμενα στις κατεργασίες με laser Μικρο νανοκατεργασίες 65

66 Femtosecond laser Τελευταία χρησιμοποιούνται τα laser αυτά με παλμούς 10 6 φορές μικρότερους από τα συνηθισμένα laser με διάρκεια παλμών της τάξεως των ns. Έχουν ισχύ 5 10 GW (εκατοντάδες ΤW/cm 2 ) και μπορούν να κατεργασθούν σκληρά υλικά όπως το διαμάντι ή υλικά με υψηλό σημείο τήξης όπως το μολυβδαίνιο, χωρίς να δημιουργούν θερμικά επηρεασμένες ζώνες. Αντίθετα με τις λιθογραφικές μεθόδους τα laser μπορούν να κατασκευάσουν τρισδιάστατες δομές χωρίς τη χρήση μασκών. Χρησιμοποιούνται ευρέως στην κατασκευή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, σκληρών δίσκων, εκτυπωτών και τηλεπικοινωνιακών συσκευών. Μικρο νανοκατεργασίες 66

67 Μικρο νανοκατεργασίες 67