1. ΘΕΩΡΙΑ ΜΙΚΡΟΚΟΠΗΣ

Transcript

1 1. ΘΕΩΡΙΑ ΜΙΚΡΟΚΟΠΗΣ ΓΕΝΙΚΑ Στη μικροκοπή το βάθος κοπής είναι μικρότερο από 10 μm και η αναμενόμενη τραχύτητα είναι της τάξης μερικών nm, με αποτέλεσμα η επίδραση κλίμακας ( size effect ) στις αναπτυσσόμενες δυνάμεις κοπής να είναι πολύ σημαντική. Το μοντέλο του Merchant που υποθέτει οξεία κοπτική ακμή και ανάπτυξη παραμορφώσεων στο επίπεδο διάτμησης και στη διεπιφάνεια ΚΕ/αποβλίττου αδυνατεί να αντιμετωπίσει την επίδραση κλίμακας. Το βάθος κοπής κατά τη μικροκοπή είναι πλέον της ίδιας τάξης μεγέθους με την ακτίνα καμπυλότητας της κόψης. Τούτο οδηγεί στα εξής άμεσα συμπεράσματα: Η κόψη δεν μπορεί να θεωρηθεί οξεία. Η ελαστική επαναφορά της κατεργασμένης επιφάνειας δεν μπορεί να αγνοηθεί και επομένως θα ληφθεί υπόψη και η τριβή μεταξύ ΚΕ/ΤΕ στην ελεύθερη επιφάνεια του ΚΕ. Για την εξώθηση του αποβλίττου και την άρωση του τεμαχίου από το κοπτικό εργαλείο απαιτείται η εφαρμογή αρνητικής γωνίας αποβλίττου. ΤΟ ΦΥΣΙΚΟ ΕΠΙΠΕΔΟ ΤΗΣ ΜΙΚΡΟΚΟΠΗΣ Στο Σχ. 1 παρουσιάζεται το φυσικό επίπεδο της ορθογωνικής μικροκοπής. Υφίστανται οι ακόλουθες 4 διακεκριμένες ζώνες παραμόρφωσης: Σχήμα 1: Φυσικό επίπεδο ορθογωνικής μικροκοπής Ζώνη 1: Είναι η ζώνη διάτμησης. Στη συνέχεια θα χρησιμοποιηθεί η υπόθεση του επιπέδου διάτμησης, όπου επικρατούν συνθήκες διάτμησης υπό μέγιστη διατμητική τάση. Ζώνη 2: Είναι το τμήμα του αποβλίττου που εξωθείται από το καμπύλο τμήμα της κόψης. Για λόγους σύγκρισης αναφέρεται ότι: Στη μικροκοπή με μονοκρύσταλλο διαμαντιού έχει μετρηθεί ακτίνα κόψης R= μm (Lucca et al. με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο) R= μm (Moriwaki Okuda) R= μm (Asai Taguchi) R 2 nm (Ikawa). Αντίστοιχα, το βάθος κοπής κυμαίνεται μεταξύ μm. 1

2 Ζώνη 3: Αφορά την περιοχή τριβής του αποβλίττου πάνω στην επιφάνεια αποβλίττου του ΚΕ. Ζώνη 4: Αντιστοιχεί στην περιοχή τριβής του ΤΕ με την ελεύθερη επιφάνεια του ΚΕ, η οποία οφείλεται στην ελαστική επαναφορά του υλικού ΤΕ μετά την κατεργασία του. Οι αναπτυσσόμενες δυνάμεις στις διάφορες περιοχές επαφής του ΚΕ με το ΤΕ και το απόβλιττο παρουσιάζονται στο Σχ, 2. Σχήμα 2: Οι επιφάνειες τριβής του ΚΕ ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΗΣ ΜΙΚΡΟΚΟΠΗΣ 1. Μελέτη της ζώνης 2 Θεωρούμε την ισορροπία στοιχειώδους λωρίδας, βλ. Σχ. 1 και 3, κατά τη διεύθυνση Χ. Προκύπτει η σχέση: σ X = p[1 μcot( θ φ )] (1) Σχήμα 3: Ισορροπία στοιχειώδους λωρίδας της ζώνης 2 όπου: σx η συνιστώσα τάση κατά τη διεύθυνση Χ, μ ο συντελεστής τριβής στην επιφάνεια επαφής, p η ορθή τάση (πίεση) στην καμπυλόγραμμη κόψη του ΚΕ, φ η γωνία διάτμησης. 2

3 Ο οδογράφος των ταχυτήτων στο σύνορο των ζωνών 1 και 2 έχει όπως φαίνεται στο Σχ. 4. Με εφαρμογή του νόμου ημιτόνων λαμβάνονται οι ακόλουθες σχέσεις: Σχήμα 4: Οδογράφος ταχυτήτων στη διεπιφάνεια των ζωνών 1 και 2 sin θ i υ 12s = υ sin( θ φ i ) sinφ υ 2ci = υ sin( θ φ) i (2α) (2β) όπου: υ12s η ταχύτητα διάτμησης στο σύνορο των ζωνών 1 και 2, αποβλίττου στη ζώνη 2, υ η ταχύτητα κοπής, i υ 2ci η αρχική ταχύτητα θ η αρχική γωνία καμπυλότητας της κόψης (βλ. και Σχ. 1). Η καταναλισκόμενη ισχύς στο σύνορο των ζωνών 1 και 2 θα είναι ίση προς E12s = bt1υ σ dε (3) όπου: b το πλάτος κοπής, t1 το θεωρητικό πάχος αποβλίττου (βάθος κοπής), σ η ισοδύναμη τάση και ε η ισοδύναμη παραμόρφωση, οι οποίες περιγράφουν την καταστατική εξίσωση του κατεργαζόμενου υλικού σύμφωνα με τη σχέση n σ= C ε (4) όπου: C, n σταθερές. Υποθέτοντας συνθήκες καθαρής διάτμησης στη διεπιφάνεια των δύο ζωνών, θα είναι dε= d γ / 3 = d[sin θ / 3 sin φsin( θ φ )]. Οπότε με αντικατάσταση στην εξ. (3) προκύπτει xy i i E 12s Cbt υ sin θ 1 i = n+ 1 3sinφ sin( θi φ) n+ 1 (5) Σε αντίθεση με το μοντέλο ορθογωνικής κοπής του Merchant, θεωρούμε ότι λαμβάνει χώρα διάτμηση σε κάθε ίνα της ζώνης 2. Επειδή ισχύει επίσης ότι E12s = F12sυ 12s, με συνδυασμό των εξ. (5), (1) και (2α) λαμβάνουμε τελικά για την πίεση p 3

4 p 3C sin θ i = (n + 1)[1 μcot( θi φ)] 3sinφ sin( θi φ) n (6) όπου F 12s η δύναμη διάτμησης. 2. Μελέτη της ζώνης 3 Η δύναμη τριβής F 3f ισούται προς F =μp l b 3f 3 3 (7) όπου: p 3 η κάθετη τάση (πίεση) στην επιφάνεια αποβλίττου και ΚΕ/αποβλίττου πάνω στην επιφάνεια αποβλίττου. l 3 το μήκος επαφής 3. Μελέτη της ζώνης 4 Με όμοιο τρόπο η δύναμη τριβής F 4f στην ελεύθερη επιφάνεια του ΚΕ λόγω της ελαστικής επαναφοράς υπολογίζεται ως F =μp l b (8) 4f 4 4 όπου: p 4 η κάθετη τάση (πίεση) πάνω στην ελεύθερη επιφάνεια και πάνω στην ελεύθερη επιφάνεια. l 4 το μήκος επαφής ΚΕ/ΤΕ 4. Υπολογισμός της κύριας συνιστώσας της δύναμης κοπής και της δύναμης ώσης Με ανάλυση των ανωτέρω δυνάμεων τριβής και των καθέτων τους δυνάμεων στις διευθύνσεις x και y λαμβάνονται: (i) Κύρια συνιστώσα δύναμης κοπής θ+θ i f θ+θ i f F1 = F3fsin γ+ F3ncos γ+ bpr( θf θi) sin μ cos + p4b 4(sin α+μcos ) 2 2 l α (9) (ii) Δύναμη ώσης θ+θ i f θ+θ i f F2 = F3fcos γ+ F3nsin γ+ bpr( θf θ i) cos +μ sin + p4b 4( μsinα+ cos α) 2 2 l (10) όπου: R η ακτίνα καμπυλότητας του ΚΕ, θ f η τελική γωνία του καμπύλου τμήματος της κόψης (βλ. Σχ. 2), α η γωνία ελευθερίας του ΚΕ. 5. Η γωνία διάτμησης Γεωμετρικά προκύπτει για τη γωνία διάτμησης cos γ φ= atan t /t 2 1 sin γ (11) όπου: t 2 το μέσο πάχος αποβλίττου. 4

5 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΣ ΜΙΚΡΟΚΟΠΗΣ Οι συμβατικές κατεργασίες αποβολής υλικού τόρνευση, διάτρηση, φρεζάρισμα, λείανση μπορούν εύκολα να χρησιμοποιηθούν και για την κατασκευή τεμαχίων που απαιτούν πολύ μεγάλη ακρίβεια, τεμαχίων πολύ μικρών διαστάσεων και οπτικών αντικειμένων (φακοί, κάτοπτρα). Προς τούτο, χρησιμοποιούνται εργαλειομηχανές λίαν υψηλής ακριβείας (Ultra precision), εξοπλισμένες με εξαιρετικής κατασκευαστικής ακριβείας ολισθητήρες και έδρανα (hydrostatic slights, air bearing spindles) και εργαλεία διαμαντιού. Είναι δε ακόμη δυνατή η επίτευξη τραχύτητας της τάξης μερικών nm για εφαρμογές νανοτεχνολογίας. Μερικές γενικές εφαρμογές μικροκοπής (λίαν υψηλής ακριβείας) αφορούν σε: Αξονοσυμμετρικές επιφάνειες: Επίπεδες επιφάνειες, σφαιρικά ή μη σφαιρικά σχήματα Σύνθετες γεωμετρίες: Παραβολικές, ελλειψοειδείς και δακτυλιοειδείς επιφάνειες. Πολυγωνικά κάτοπτρα, μικροφακοί. Μικροκατασκευές, καλούπια. Μικροεγκοπές. Παραδείγματα προϊόντων μικροκοπής παρουσιάζονται στο Σχ. 5. Μικροφακοί Αξονοσυμμετρικά κάτοπτρα Έκκεντρη μικροκοπή παραβολικού Σφαιρική μικροκατασκευή κατόπτρου Σχήμα 5: Εφαρμογές μικροκοπής. 5

6 2. ΜΙΚΡΟΚΟΠΗ ΜΕ ΔΙΑΜΑΝΤΙ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η κοπή με διαμάντι (diamond micromachining) χρησιμοποιείται ευρύτατα για την παραγωγή πολύ λείων επιφανειών με μεγάλη γεωμετρική ακρίβεια, π.χ. οπτικά όργανα. Το διαμάντι, ως υλικό κοπτικών εργαλείων, υπερέχει των υπολοίπων σε κοπτική ικανότητα λόγω της υψηλής σκληρότητας, της ακαμψίας, της θερμικής αγωγιμότητας, της χαμηλής τριβής (στον αέρα) και της χημικής του αδράνειας. Χημική αδράνεια δεν υφίσταται μόνο σε περίπτωση που το κατεργαζόμενο υλικό είναι σε θέση να απορροφήσει άνθρακα εύκολα. Και στο πρόβλημα αυτό, όμως, μπορεί να ελαττωθεί σημαντικά ο ρυθμός διάχυσης του άνθρακα με εφαρμογή ειδικών συνθηκών κατεργασίας, όπως π.χ. με κρυογονική ψύξη. Στοιχεία κατεργάσιμα με διαμάντι είναι όσα δεν έχουν μονήρη ηλεκτρόνια στην υποστιβάδα d, όπως τα: Ίνδιο, Κασσίτερος, Μόλυβδος, Ψευδάργυρος, Πλουτώνιο, Μαγνήσιο, Αλουμίνιο, Γερμάνιο, Άργυρος, Χρυσός, Χαλκός, Βηρύλλιο, Πυρίτιο. Αντίθετα, στοιχεία με μονήρη ηλεκτρόνια στην υποστιβάδα d είναι μη κατεργάσιμα με διαμάντι, π.χ. τα: Ουράνιο, Μαγγάνιο, Νικέλιο, Kοβάλτιο, Σίδηρος, Τιτάνιο, Χρώμιο, Βανάδιο, Ρόδιο, Ρουθήνιο, Νιόβιο, Μολυβδαίνιο, Ταντάλιο, Ρήνειο, Βολφράμιο. ΤΟ ΔΙΑΜΑΝΤΙ ΩΣ ΚΟΠΤΙΚΟ ΕΡΓΑΛΕΙΟ Το διαμάντι που χρησιμοποιείται ως κοπτικό εργαλείο συναντάται σε τρεις μορφές: Ως φυσικός μονοκρύσταλλος Σχετικά ακριβός, με πολλαπλές κρυσταλλογραφικές διευθύνσεις που αποδίδουν διαφορετικά αποτελέσματα κοπής. Περιέχει μη ελεγχόμενες ακαθαρσίες, με δυσάρεστες συνέπειες στη διάρκεια ζωής του κοπτικού εργαλείου. Χρησιμοποιείται ευρέως σε κατεργασίες ακριβείας υλικών συμβατών με το διαμάντι. Επικολλάται (brazing) σε χαλύβδινη μανέλα. To κόστος του εργαλείου τόρνευσης εξαρτάται κυρίως από την ακρίβεια της κοπτικής ακμής και τις διαστάσεις του μονοκρυστάλλου (ακτίνα καμπυλότητας της κοπτικής ακμής) και κυμαίνεται μεταξύ μερικών εκατοντάδων έως Ως πολυκρυσταλλικό διαμάντι Αποτελείται από μικρά τεμάχια διαμαντιού (της τάξης μερικών μm), που αναμιγνύονται με ένα συνδετικό υλικό (συνήθως με βάση το κοβάλτιο cermet type tool). Το μίγμα μορφοποιείται με τεχνικές sintering στην τελική μορφή του και προσαρμόζεται ή επικολλάται σε μανέλα. Περιλαμβάνει κοπτικές ακμές τυχαίου προσανατολισμού. Ο μηχανισμός αποβολής υλικού προσιδιάζει μάλλον σ αυτόν της λείανσης παρά στον τυπικό μηχανισμό σχηματισμού αποβλίττου που αποδίδεται από εργαλείο απλής σημειακής επαφής (τόρνευση). Η συμπεριφορά αυτή αποδίδει πιο τραχεία και θαμπή κατεργασμένη επιφάνεια. Αυτός είναι ο λόγος που δεν εφαρμόζονται κατεργασίες απλής σημειακής επαφής σε οπτικές εφαρμογές, αντ αυτών, σε αρκετές κατεργασίες λείανσης χρησιμοποιούνται λειαντικοί τροχοί από πολυκρυσταλλικό διαμάντι. Το κόστος κυμαίνεται γύρω στα 100 και εξαρτάται από τη γεωμετρία του εργαλείου. 6

7 Ως συνθετικό διαμάντι Χρησιμοποιείται όταν κρίνεται απαραίτητος ο έλεγχος των ακαθαρσιών. Έχει αποδειχθεί στην πράξη ότι οι περιεχόμενες στο φυσικό διαμάντι ακαθαρσίες σχετίζονται με τις παρατηρούμενες μεταβολές του ρυθμού φθοράς της κοπτικής ακμής. Είναι πιο ελεγχόμενο και προβλέψιμο κοπτικό υλικό και αποδίδει καλλίτερα χαρακτηριστικά κατεργασιμότητας. Το κόστος εργαλείου είναι πολλαπλάσιο του κόστους εργαλείου από φυσικό διαμάντι. ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΟΥ ΔΙΑΜΑΝΤΙΟΥ ΣΕ ΣΥΝΔΥΑΣΜΟ ΜΕ ΤΗΝ ΚΟΠΤΙΚΗ ΤΟΥ ΔΡΑΣΗ Το διαμάντι έχει τις πιο επιθυμητές ιδιότητες που πρέπει να διαθέτει ένα κοπτικό εργαλείο. Έχει τη μέγιστη σκληρότητα, που το καθιστά ικανό (στη θεωρία) να παραμορφώνει κάθε άλλο υλικό. Η ψαθυρότητά (ευθραυστότητα) του, όμως, αποτρέπει την κοπή με διαμάντι σε πολλές εφαρμογές. Το διαμάντι έχει υψηλό μέτρο ελαστικότητας περίπου 1000 GΡa σχεδόν 5πλάσιο από εκείνο του χάλυβα (~206 GΡa), 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. Το μέτρο διάτμησης κυμαίνεται στα ~300 GΡa. Η τάση θραύσης σε εφελκυσμό (4 GΡa) είναι συγκρίσιμη με αυτή των χαλύβων υψηλής αντοχής, με τη διαφορά ότι το διαμάντι διατηρεί αυτή την υψηλή αντοχή ακόμη και σε υψηλές θερμοκρασίες, μολονότι υπάρχει κίνδυνος μετατροπής του σε γραφίτη σε υψηλή θερμοκρασία. Τέλος, το διαμάντι διαθέτει τη μεγαλύτερη θερμική αγωγιμότητα σε θερμοκρασία περιβάλλοντος από όλα τα υλικά και είναι χημικά αδρανές υλικό στις πλείστες των περιπτώσεων κοπής. ΥΛΙΚΑ ΣΥΜΒΑΤΑ ΜΕ ΤΟ ΔΙΑΜΑΝΤΙ ΣΕ ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΚΟΠΗΣ Από τη μακροχρόνια εμπειρία στις κοπές με διαμάντι, έχουν καταγραφεί υλικά κατεργάσιμα και μη κατεργάσιμα με διαμάντι. Αν και η λίστα δεν θεωρείται πλήρως ενημερωμένη ακόμη, υλικά άμεσα κατεργάσιμα με διαμάντι είναι: (α) Μέταλλα: Αλουμίνιο, ορείχαλκος, χρυσός, άργυρος, κασσίτερος, ψευδάργυρος, μη ηλεκτρολυτικό νικέλιο. (β) Πολλά πολυμερή υλικά: Πολυκαρβονικά, φθοροπλαστικά (Teflon), ακρυλικά (μεθακρυλικός μεθυλεστέρας, ΡΜΜΑ), πολυστυρένιο και πολυπροπυλένιο (γ) Κρύσταλλοι: Πυρίτιο, γερμάνιο, λιθιονιόβιο, θειούχος ψευδάργυρος, αρσενίδιο του γαλλίου, τελουρίδιο του καδμίου. Επειδή τα ψαθυρά υλικά είναι ευαίσθητα σε εφελκυστικά φορτία, διότι αναπτύσσουν ρωγμές που μεταφέρονται στο εσωτερικό του υλικού, για να μειωθεί ο κίνδυνος ανάπτυξης ρηγμάτωσης στην κατεργασμένη επιφάνεια των κρυστάλλων χρησιμοποιείται συνήθως μια ειδική τεχνική, γνωστή ως κοπή στην όλκιμη περιοχή (ductile-regime machining). Η μέθοδος αυτή περιλαμβάνει την εφαρμογή πολύ μικρού βάθους κοπής (δηλ. μικρό θεωρητικό πάχος αποβλίττου), με αποτέλεσμα τη μείωση των εφελκυστικών τάσεων που αναπτύσσονται στην κατεργασμένη επιφάνεια. Εάν η ένταση των τοπικών τάσεων (εφελκυστικών) υπερβεί την κρίσιμη τιμή, τότε εκκινεί θραύση σε κάποια μικροσκοπική ασυνέχεια (ατέλεια) ή μεγεθύνεται ήδη υφιστάμενη μικροθραύση. Επομένως, απαιτείται μικρό βάθος κοπής (της τάξεως μερικών nm ή έστω μικρότερο του 1 μm) για να διατηρηθεί χαμηλή εντατική κατάσταση στην περιοχή της κοπής. Τα υλικά που είναι δυσκατέργαστα με διαμάντι, επειδή προκαλούν είτε αποσάθρωσή του (chipping) είτε διάλυσή του μέσα στο κατεργαζόμενο υλικό, είναι: κράματα νικελίου, κράματα βηρυλλίου, σιδηρούχα κράματα περιλαμβανομένων και των ανοξείδωτων χαλύβων, κράματα τιτανίου και κράματα του μολυβδαινίου. Η διάλυση του διαμαντιού σ αυτά μπορεί να επιβραδυνθεί και έτσι να επιμηκυνθεί η διάρκεια ζωής του κοπτικού εργαλείου, εάν η κοπή λάβει χώρα σε 7

8 κρυογενικές θερμοκρασίες. Με τον τρόπο αυτόν, μειώνεται ο ρυθμός διάχυσης, ο οποίος είναι εκθετική συνάρτηση της θερμοκρασίας. Ο μόνος κίνδυνος από αυτόν τον χειρισμό είναι πιθανό διαστασιακό σφάλμα, λόγω της χαμηλής θερμοκρασίας (θερμοκρασία υγρού αζώτου = -150 ο C). Επίσης, στις θερμοκρασίες αυτές μεταβάλλονται και οι ιδιότητες του κατεργαζόμενου υλικού, π.χ. η αντοχή και το μέτρο ελαστικότητάς του αυξάνονται, ενώ η θερμική αγωγιμότητα μειώνεται σημαντικά. ΤΡΙΒΟΛΟΓΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΟΥ ΔΙΑΜΑΝΤΙΟΥ ΚΑΙ ΦΘΟΡΑ Το διαμάντι έχει πολύ χαμηλό συντελεστή τριβής έναντι πολλών υλικών στον αέρα. Στο κενό, το διαμάντι έναντι διαμαντιού εμφανίζει πολύ υψηλό συντελεστή τριβής, αλλά, στον αέρα, πιστεύεται ότι η υγρασία που προσροφάται στην επιφάνειά του συντελεί στη διαμόρφωση χαμηλού συντελεστή τριβής. Με τα μέταλλα, δοκιμές έχουν δείξει ότι ο συντελεστής τριβής είναι συνάρτηση της ταχύτητας ολίσθησης. Οι Bowden και Freitag από δοκιμές τριβής διαμαντιού πάνω σε χαλκό διαπίστωσαν σε ταχύτητα 100 m/s μια σχεδόν βηματική αύξηση του συντελεστή τριβής από 0.03 σε 0.05 περίπου. Παρόμοιες δοκιμές διαμαντιού πάνω σε χρώμιο έδειξαν στην ταχύτητα των 200 m/s ένα άλμα στην τιμή του συντελεστή τριβής από 0.06 σε 0.4. Παρατηρήθηκε, όμως, ότι στην υψηλότερη ταχύτητα η επιφάνεια του διαμαντιού καλύφθηκε με λεπτό στρώμα (film) χρωμίου και έτσι ο συντελεστής τριβής αφορούσε μάλλον τριβή χρωμίου πάνω σε χρώμιο. Σε ταχύτητες μικρότερες των 200 m/s σημειώθηκε πολύ μεγάλη φθορά του διαμαντιού. Ο Berman προχώρησε σε δοκιμές μέτρησης της (ογκομετρικής) φθοράς του διαμαντιού έναντι χαλκού, χάλυβα και χρωμίου και διαπίστωσε ότι: Ο ρυθμός φθοράς έναντι του χρυσού ήταν 30πλάσιος του ρυθμού φθοράς έναντι του χαλκού. Ο ρυθμός φθοράς έναντι του χρωμίου ήταν 25πλάσιος του ρυθμού φθοράς έναντι του χαλκού. Τέλος, όσο και αν φαίνεται παράδοξο, ο ρυθμός φθοράς του διαμαντιού έναντι των πολυμερών υλικών είναι επίσης μερικές φορές μεγαλύτερος από εκείνον έναντι του χαλκού. Τούτο οφείλεται προφανώς στις τοπικά υψηλές θερμοκρασίες που αναπτύσσονται κατά τη μικροκοπή λόγω της μικρής θερμικής αγωγιμότητας. Δηλ. το μεγαλύτερο μέρος της παραγόμενης θερμότητας διοχετεύεται στο διαμάντι και σε μια πολύ αιχμηρή κοπτική ακμή (μικρού όγκου) η θερμοκρασία μπορεί να είναι αρκετά υψηλή. ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΗΣ ΚΟΠΗΣ ΜΕ ΔΙΑΜΑΝΤΙ Η κοπή με διαμάντι θεωρείται ότι είναι κατεργασία αποπεράτωσης. Εάν πρέπει να αφαιρεθεί μεγάλος όγκος υλικού, αυτό πρέπει να προηγηθεί με άλλο τρόπο. Τα εργαλεία διαμαντιού γενικά χρησιμοποιούν ονομαστική (nominal) γωνία αποβλίττου σχεδόν μηδενική. Στην κοπή μετάλλων, μία ελαφρά αρνητική γωνία αποβλίττου (-1 ο ή -2 ο ) μπορεί να βελτιώσει την ποιότητα επιφάνειας, ενώ στην κοπή πλαστικών μια ελαφρά θετική γωνία αποβλίττου έχει το ίδιο αποτέλεσμα. Οι τυπικές γωνίες ελευθερίας είναι εν γένει ίδιες με αυτές της συμβατικής κοπής (6 ο -10 ο ). Οι συνθήκες κοπής με διαμάντι είναι τελείως διαφορετικές από τις συνθήκες της συμβατικής κοπής. Οι ταχύτητες κοπής είναι της τάξης μερικών εκατοντάδων m/s και η τιμή τους εξαρτάται από το κατεργαζόμενο υλικό. Στις κατεργασίες τόρνευσης μεταλλικών υλικών, το ακτινικό βάθος κοπής σε εκχόνδριση κυμαίνεται μεταξύ 15μm (για σκληρά υλικά) και 50μm (για μαλακά υλικά), ενώ σε κοπές εκχόνδρισης πλαστικών το βάθος κοπής είναι μερικές εκατοντάδες μm. Οι αντίστοιχες τιμές για φινίρισμα κυμαίνονται για μέταλλα στην περιοχή 1μm (σκληρά υλικά) 3μm (μαλακά υλικά) και για πλαστικά περίπου 15μm. H αντίστοιχη πρόωση σε εκχόνδριση κυμαίνεται τυπικά μεταξύ μm/rev. 8

9 Μέταλλα και κρύσταλλοι κατεργάζονται παρουσία ελαφρών ελαίων. Έχουν χρησιμοποιηθεί ορυκτέλαια και φυτικά έλαια, ενώ πετροχημικά έλαια συναντούν δυσκολία απομάκρυνσης τους μετά την κοπή. Στην κοπή πλαστικών, δεν χρησιμοποιούνται έλαια λείανσης ή χρησιμοποιούνται υδατικά υγρά κοπής. Ο σκοπός των υγρών κοπής είναι η μείωση των τριβών, αλλά κυρίως συνεισφέρουν στην απομάκρυνση των αποβλίττων. Γενικά, τα υγρά κοπής συμβάλλουν στην απόδοση λείας επιφάνειας. Κατά την εκχόνδριση, τα μαλακά μέταλλα αποδίδουν συνεχή και επιμήκη απόβλιττα, τα οποία μπορεί να εμπλακούν γύρω από το εργαλείο και τη μανέλα. Επειδή στα εργαλεία διαμαντιού δεν χρησιμοποιούνται γρεζοθραύστες, το υγρό κοπής συντελεί ώστε το ψυχόμενο απόβλιττο να σπάσει από το βάρος του υγρού που προσφύεται (προσκολλάται) σ αυτό. Κατά τη λείανση (φινίρισμα), τα απόβλιττα είναι σκόνη μικρομετρικής διάστασης. Συνεπώς, πρέπει να αποφεύγεται η εισπνοή τους. Η σκόνη PMMA θεωρείται καρκινογόνος, ενώ οι σκόνες βηρυλλίου και πυριτίου είναι ιδιαίτερα τοξικές. Οι κατεργασμένες με διαμάντι επιφάνειες έχουν ποιότητα οπτικής επιφάνειας. Όμως, ενώ μία οπτική επιφάνεια είναι συνήθως γυάλινη και μπορεί να αντεπεξέρχεται επιτυχώς στην επίδραση ιδιαίτερα δυσμενούς περιβάλλοντος χωρίς αστοχία (εκδορές), οι μεταλλικές επιφάνειες που έχουν υποστεί κατεργασία με διαμάντι ιδιαίτερα του χαλκού και του αλουμινίου είναι πολύ μαλακές και μπορεί εύκολα να προσβληθούν είτε φυσικά είτε χημικά. Ακόμη και η μετρολογία τους πρέπει να γίνεται με ιδιαίτερη προσοχή για την αποφυγή φθοράς τους. Έτσι, ο καθαρισμός της κατεργασμένης επιφάνειας μπορεί να γίνει με: Καθαρό σαπουνέλαιο σε περιπτώσεις ευρείας επιμόλυνσης. Εμποτισμένο βαμβακερό σφαιρίδιο και με μικρή πίεση. Έκπλυση με αποσταγμένο νερό. Απομάκρυνση της υγρασίας με ακετόνη (χρήση γαντιών και καλός αερισμός) ή οινόπνευμα. Απομάκρυνση κόκκων αποβλίττου με την άκρη φτερού. Ένας ποιοτικός τρόπος επιθεώρησης των επιφανειών αυτών στηρίζεται στη χρησιμοποίηση τους ως ανακλαστήρες διαχεομένου φωτός. Εστιάζοντας το μάτι στην επιφάνεια που ανακλά το φως (π.χ. φως φθορισμού), μπορούμε να δούμε εύκολα φάσματα φωτεινών και σκοτεινών κροσσών (πόλωση του φωτός). Η διαδικασία αυτή απαιτεί ιδιαίτερη εμπειρία, δεδομένου ότι το μάτι έχει την τάση να εστιάζει στην φωτεινή πηγή και όχι στην επιφάνεια ανάκλασης. Όταν χειριζόμαστε τεμάχια κατεργασμένα με διαμάντι, πρέπει να τα πιάνουμε από τις άκρες τους. Το λίπος από το δέρμα που μπορεί να επικαθίσει απομακρύνεται δύσκολα, δεδομένου ότι ακόμη και το ξηρό βαμβάκι μπορεί να χαράξει την κατεργασμένη επιφάνεια. Ακόμη και σταγόνες σάλιου απομακρύνονται πολύ δύσκολα και μπορεί να διαβρώσουν τη μεταλλική επιφάνεια. Τέλος, ποτέ δεν αποτίθεται μια κατεργασμένη επιφάνεια με διαμάντι πάνω σε οποιαδήποτε τυχαία επιφάνεια που μπορεί να οδηγήσει σε χάραξή της. ΜΙΚΡΟΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ Η κοπή με διαμάντι λόγω των μικρών διαστάσεων της κόψης εφαρμόζεται σε μεγάλη ποικιλία μικροκατασκευών. Παράδειγμα 1: Κοπή παράλληλων αυλάκων (channels) σε υψηλής αγωγιμότητας χαλκό για την κατασκευή compact μικροεναλλάκτη θερμότητας με πολύ υψηλό συντελεστή μεταφοράς θερμότητας (Σχ. 6). Κάθε πλάκα του εναλλάκτη περιέχει το μέγιστο δυνατό αριθμό αυλάκων (ανάλογα με τις διαστάσεις της πλάκας). Οι πλάκες συναρμολογούνται (διατάσσονται) έτσι ώστε οι αύλακες μιας πλάκας να είναι κάθετες προς τις αύλακες της επόμενης και η κάτω επιφάνεια της ανώτερης πλάκας να αποτελεί την οροφή των αυλάκων της αμέσως κατώτερης πλάκας. Στη συνέχεια, οι πλάκες συνδέονται μεταξύ τους με ειδική κατεργασία (vacuum diffusion bonding), η οποία εξασφαλίζει 9

10 καλή στεγανότητα και η όλη διάταξη εισάγεται ως πυρήνας σε ειδικό περίβλημα για την κυκλοφορία ρευστού δια μέσου αυτής. Σχήμα 6: Πλάκα εναλλάκτη θερμότητας κατεργασμένη με διαμαντοκοπή (Διαστάσεις πλάκας: mm, Υλικό: Cu101) Παράδειγμα 2: Κατεργασία άξονα πολύ μικρής διαμέτρου με τόρνευση (Σχ. 7-9). Στο παράδειγμα του Σχ. 7, το τεμάχιο είναι πρόβολος διαμέτρου 25μm, του οποίου η ακαμψία μειώνεται από το πακτωμένο προς το ελεύθερο άκρο του. Συνεπώς, στον υπολογισμό των δυνάμεων κοπής πρέπει να λαμβάνεται σοβαρά υπόψη το βέλος κάμψης του άξονα, το οποίο με τη σειρά του είναι συνάρτηση της θέσης του κοπτικού εργαλείου κατά μήκος του άξονα του τεμαχίου. Σχήμα 7: Τόρνευση με διαμάντι άξονα Al διαμέτρου 25μm και με αντιστάθμιση του ύψους του ΚΕ, για ρύθμιση του βέλους του ΤΕ κατά τη διάρκεια της κατεργασίας. Φαίνεται η βαθμιαία μείωση της διαμέτρου από 1.5mm μέχρι την τελική τιμή 10

11 Εκ της εμπειρίας έχει προκύψει η ανάγκη να τοποθετείται η κοπτική ακμή πιο ψηλά από το κέντρο περιστροφής, ώστε να αποφευχθεί το ενδεχόμενο να ανέβει ο άξονας πάνω στην επιφάνεια αποβλίττου και να σπάσει, βλ. Σχ. 8. Σχήμα 8: Έναρξη της κοπής. Το ΚΕ φαίνεται στην αριστερή πλευρά πάνω από το κέντρο της διατομής του ΤΕ (διαμέτρου d=4mm). Συνθήκες κοπής: n=4000rpm, a: μεταβαλλόμενο από 100μm στη δεδομένη κατάσταση, μέχρι 0.1μm όταν γίνεται d=25μm, πρόωση μεταβαλλόμενη από μερικά μm/s μέχρι 5 μm/s περίπου. Τέλος, πρέπει να σημειωθεί ότι, λόγω της σχετικής υπερύψωσης της κοπτικής ακμής από το επίπεδο του κέντρου περιστροφής, η ενεργούσα γωνία αποβλίττου μεταβάλλεται, εισάγοντας εξόχως μη γραμμική απόκριση στο σύστημα κοπής. Παρά ταύτα, όμως, ο κατεργασμένος μικροάξονας είχε ομοιόμορφη διατομή με λόγο L/D=4 και μέση τραχύτητα επιφάνειας Ra<0.1μm, βλ. Σχ. 9. Σχήμα 9 11

12 Η όλη διαδικασία κοπής μπορεί να ελέγχεται συνεχώς με σύστημα βιντεοκάμεραςμικροσκοπίου (Σχ. 10). Στην οθόνη (Σχ. 11), απεικονίζεται το ΚΕ πολυκρυσταλλικού διαμαντιού με μαύρο τριγωνικό σχήμα. Σχήμα 10: Σύστημα βιντεοκάμερας/μικροσκοπίου για παρακολούθηση της μικροκοπής με διαμάντι Σχήμα 11: Λαμβανόμενη απεικόνιση του μικροεργαλείου στην οθόνη της διάταξης Παράδειγμα 3: Κατεργασία ειδικών επιφανειών σε πειραματικές διατάξεις μεταφοράς θερμότητας. Στο Σχ. 12 παρουσιάζεται άξονας (κύλινδρος) αλουμινίου, με διάμετρο 25mm και μήκος 100mm, που φέρει με διαμήκη πτερύγια και εγκοπές κατασκευασμένες με διαμαντοκοπή. Οι εγκοπές είναι τραπεζοειδείς, τα τοιχώματά της έχουν κλίση 45 ο και το βάθος της κυμαίνεται γύρω 12

13 στα 100μm. Το δοκίμιο αυτό χρησιμοποιήθηκε για τη μελέτη της μεταφοράς θερμότητας κατά το βρασμό κρυογενικών υγρών. Σχήμα 12 13

14 3. ΜΙΚΡΟΔΙΑΤΡΗΣΗ Η μικροδιάτρηση (microdrilling) χαρακτηρίζεται όχι μόνο από τα μικρών διαστάσεων τρύπανα (μικροτρύπανα), αλλά και από την υψηλή ακρίβεια περιστροφής του μικροτρυπάνου και τον εφαρμοζόμενο ειδικό κύκλο διάτρησης (peck cycle). Επιπλέον, τα τοιχώματα των μικροοπών που ανοίγονται ανήκουν στις πιο λείες επιφάνειες που αποδίδονται μέσω συμβατικών κατεργασιών (οφείλεται κυρίως στον ειδικό κύκλο διάτρησης). Τα μικρότερα τρύπανα είναι τύπου-φτυαριού (spade type). Τα μικροτρύπανα αυτά δεν έχουν ελικοειδή πτερύγια όπως τα συμβατικά τρύπανα, γεγονός που καθιστά την απομάκρυνση των αποβλίττων από την οπή πιο δυσχερή. Τρύπανα με διάμετρο μεγαλύτερη από 50μm μπορεί να κατασκευαστούν ως ελικοειδή τρύπανα (twist drills), ενώ τρύπανα μικρότερης διαμέτρου είναι αποκλειστικά τύπου φτυαριού λόγω των δυσκολιών κατασκευής ελικοειδούς μορφής με αυτή την τάξη μεγέθους. Σχήμα 13: Γενική άποψη και χαρακτηριστικά τυπικού μικροτρυπάνου Υπάρχουν ορισμένα σημαντικά χαρακτηριστικά των μικροτρυπάνων αυτού του τύπου και του μηχανισμού διάτρησης που επιτυγχάνουν: Κατ αρχάς, η κορυφή του μικροτρυπάνου όπως και στην περίπτωση του ελικοειδούς τρυπάνου δεν είναι σημείο, αλλά ολόκληρη κοπτική ακμή που καλείται ακμή κορυφής (chisel edge) και προκύπτει από την τομή δύο επιπέδων, τα οποία φέρουν επίσης και τις δύο κύριες κόψεις του τρυπάνου. Η κόψη κορυφής αφαιρεί υλικό κυρίως με συμπίεση (εξώθηση) του υλικού και κοπή σε εξόχως μεγάλες αρνητικές γωνίες αποβλίττου. Η ειδική ενέργεια κοπής κατά μήκος της κόψης κορυφής είναι σχετικά μεγάλη, συγκρινόμενη με αυτή στις κύριες κοπτικές ακμές του τρυπάνου. Η μη σημειακή μορφή της κόψης κορυφής εισάγει επίσης περιπλοκές στη διαδικασία διάτρησης. Κατά την πρώτη επαφή της με το τεμάχιο (να σημειωθεί ότι το τρύπανο έχει πολύ μικρή δομική ακαμψία), οποιαδήποτε ανωμαλία στην επιφάνεια (μικροτραχύτητα, κλίση, κλπ.) θα προκαλέσει ολίσθηση του τρυπάνου πάνω στην κατεργαζόμενη επιφάνεια πριν αρχίσει τούτο να αφαιρεί υλικό. Η ολίσθηση χαρακτηρίζεται από μία έκκεντρη κίνηση του τρυπάνου, καθώς τούτο περιστρέφεται, η οποία ίσως συνδυάζεται και με κάμψη του τρυπάνου περί τον διαμήκη άξονά του. 14

15 Ανάλογα με την πρόωση ανά περιστροφή του τρυπάνου κατά την έναρξη διάνοιξης οπής, το τρύπανο μπορεί να εκκινήσει τη διάτρηση υπό κλίση (λοξά), δηλαδή το τρύπανο εκτρέπεται όπως ακριβώς η πρόβολος δοκός και αποκτά βέλος από κάθετο φορτίο στο άκρο της, το οποίο επιπροστίθεται στην αξονική φόρτισή του. Εάν συνεχιστεί η διάτρηση με τέτοιες συνθήκες, το τρύπανο θα σπάσει πάρα πολύ γρήγορα. Εάν το τρύπανο 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. Μία δεύτερη συνέπεια από την κόψη κορυφής προέρχεται από το σχετικά μεγάλο μήκος της, συγκρινόμενο με τη διάμετρο του τρυπάνου. Τούτο έχει ως αποτέλεσμα την ανάπτυξη μιας σχετικά υψηλής τιμής της δύναμης πρόωσης κατά τη διεύθυνση του άξονα του τρυπάνου και, ενώ οι κεκλιμένες κοπτικές ακμές αυξάνουν τη διάμετρο της οπής που έχει διανοιχθεί από την κόψη κορυφής, η ειδική κοπτική ενέργεια κατά μήκος κάθε κόψης είναι μικρότερη από εκείνη στην κόψη κορυφής. Αποτέλεσμα αυτού είναι η ανάπτυξη σχετικά μεγάλης δύναμης πρόωσης για τη διάμετρο του τρυπάνου. Αυτή η επίδραση κλίμακας αντιτίθεται στην κατεργασία της μικροδιάτρησης (βλ. παρακάτω την ίδια επίδραση για το μικροφρεζάρισμα). Τα μικροτρύπανα κατασκευάζονται συνήθως από κοβαλτιούχο χάλυβα ή μικρόκοκκο καρβίδιο του βολφραμίου (WC). Τα χαλύβδινα τρύπανα είναι πιο φθηνά και τροχίζονται εύκολα, αλλά δεν έχουν τη σκληρότητα και στιβαρότητα/ανθεκτικότητα των τρυπάνων από WC. Η γωνία κορυφής του τρυπάνου εξαρτάται από το κατεργαζόμενο υλικό. Για σκληρά υλικά κυμαίνεται μεταξύ 118 ο 135 ο. Μεγαλύτερη τιμές της γωνίας κορυφής εξασφαλίζουν μεγαλύτερη αντοχή στην κόψη κορυφής του τρυπάνου. Η κύρια άτρακτος στη μικροδιάτρηση χρησιμοποιεί διάταξη εδράνων μορφής-v, ενώ τρύπανο και άτρακτος κατασκευάζονται ως ενιαίο σύνολο. Η άτρακτος στηρίζεται σε τέσσερεις κυρτές επιφάνειες διαμαντιού, που είναι και τα μοναδικά σημεία επαφής της. Με τον τρόπο αυτόν, επιτυγχάνεται η ομόκεντρη λειτουργία του τρυπάνου περί άξονα, ο οποίος μπορεί να μη συμπίπτει με τον άξονα της ατράκτου, δηλ. μπορεί να υπάρχει εκκεντρότητα, η οποία είναι πολύ μικρή και δεν εισάγει κραδασμούς κατά την κοπή. Μια μικρή τροχαλία είναι προσαρμοσμένη στην άτρακτο και μέσω ιμάντα μεταφέρει την κίνηση από εξωτερικό Η/Κ στο τρυπάνι. Εφελκυστική δύναμη αναπτυσσόμενη από τον ιμάντα συγκρατεί την άτρακτο πάνω στις επιφάνειες διαμαντιού και μία μικρή προς τα πάνω αξονική συνιστώσα της δύναμης αυτής συνεισφέρει στην επαφή της ατράκτου πάνω στην επιφάνεια ώσης κατά την ανάσυρση του τρυπανιού, μέσω ενός δίσκου από κεραμικό υλικό που βρίσκεται στο άνω τμήμα της ατράκτου και έτσι εξασφαλίζεται η δύναμη ώσης του τρυπάνου. Ο δίσκος αυτός μπορεί να βρίσκεται επίσης σε επαφή με αισθητήρα φορτίου, ο οποίος μετρά το φορτίο ώσης του τρυπάνου και μέσω της τιμής αυτής εξάγονται ενδείξεις για την έκταση της φθοράς του τρυπάνου, βλ. Σχ. 14. Σχήμα 14: Σύστημα κίνησης ατράκτου/τρυπάνου στη μικροδιάτρηση 15

16 Η μικροδιάτρηση πρέπει να εκτελείται ακολουθώντας έναν κύκλο ραμφισμάτων (peck-cycle), κατά τον οποίο το τρύπανο αποσύρεται και επανεισάγεται επανειλημμένα στην οπή που πρόκειται να διανοιχθεί. Η διαδικασία αυτή είναι απαραίτητη για την απομάκρυνση των αποβλίττων από το εσωτερικό της οπής. Η χρήση λευπτόρρευστου κοπτικού υγρού συνιστάται επίσης για υποβοήθηση της διαδικασίας απομάκρυνσης των αποβλίττων. Σχήμα 15: Περιγραφή ενός τυπικού κύκλου μικροδιάτρησης Η παροχή του υγρού κοπής πρέπει να είναι συνεχής, για να μη λιμνάζει, δεδομένου ότι στην περίπτωση αυτή τα απόβλιττα επανεισέρχονται στην οπή κατά μήκος του τρυπάνου, βλ. Σχ. 16. Το αποτέλεσμα από τη μη χρήση υγρού κοπής φαίνεται στο Σχ. 17. Η οπή έχει πολλά μεγάλα απόβλιττα μέσου μεγέθους της τάξης των 5μm και κάτω από τέτοιες συνθήκες η δύναμη ώσης του τρυπάνου είναι σαφώς μεγαλύτερη από εκείνη που αναπτύσσεται όταν τα απόβλιττα έχουν απομακρυνθεί από την οπή. Δηλαδή, στην περίπτωση αυτή η οπή γεμίζει με γρέζια και η αξονική δύναμη που ασκείται στο τρύπανο είναι 2-3πλάσια εκείνης που δέχεται με χρήση υγρού κοπής. Στα πολύ μαλακά υλικά, πλήρης απομάκρυνση του τρυπάνου από την οπή σε κάθε κύκλο μπορεί να προκαλέσει ελαφρά κωνικότητα στην είσοδο της οπής. Τούτο μπορεί να αποφευχθεί με μη πλήρη απομάκρυνση του τρυπάνου. Παρόλο που στα πιο μαλακά υλικά, η απομάκρυνση των αποβλίττων δεν αποτελεί πολύ σοβαρό πρόβλημα, επειδή οι δυνάμεις κοπής για τα υλικά αυτά είναι μικρότερη από ό,τι στα σκληρά υλικά, τα γρέζια όμως που παραμένουν μέσα στην οπή μπορεί να προκαλέσουν απόκλιση ( πέξιμο ) του τρυπάνου από την αξονική διαδρομή του, με αποτέλεσμα η αποδιδόμενη οπή να παρουσιάζει εκκεντρότητα ως προς τον άξονα του τρυπάνου. Οι συνιστώμενες τιμές ταχύτητας κοπής και πρόωσης εξαρτώνται από το υλικό του κατεργαζόμενου τεμαχίου. Η μικροδιάτρηση δεν είναι γενικά κατεργασία υψηλής ταχύτητας, διότι η διαμονή του τρυπάνου στη βάση της οπής μπορεί να προκαλέσει σκλήρυνση (κράτυνση) του κατεργαζόμενου υλικού που θα οδηγήσει σε αύξηση των δυνάμεων διάτρησης. Για τα περισσότερα μέταλλα, εφαρμόζονται τυπικές στροφές ατράκτου μεταξύ rpm, ενώ οι προώσεις είναι της τάξης του 1μm/rev. Ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δίνεται στη διάτρηση πλαστικών, για την 16

17 αποφυγή τήξης του υλικού που μπορεί να οδηγήσει σε πρόσφυση του πλαστικού στο τρύπανο και συνακόλουθη θραύση του ή απόδοση τοιχώματος οπής υψηλής τραχύτητας. (α) (β) Σχήμα 16: Μη διαμπερής (τυφλή) μικρο-οπή σε Al 6061-T6, διαμέτρου 200 μm και βάθους 200 μm. Συνθήκες κοπής: Στροφές ατράκτου = 4000 rpm, πρόωση = 0.05 μm/rev (α) Με χρήση λιμνάζοντος υγρού κοπής (β) Με ρεύμα αέρα για την απομάκρυνση αποβλίττων. 17

18 Σχήμα 17: Μη διαμπερής (τυφλή) μικρο-οπή σε Al 6061-T6, διαμέτρου 200 μm και βάθους 200 μm. Συνθήκες κοπής: Στροφές ατράκτου = 4000 rpm, πρόωση = 0.05 μm/rev Δεν χρησιμοποιείται αέρας ή υγρό κοπής. Τα γρέζια δεν απομακρύνονται αλλά παραμένουν και υφίστανται λείανση σε λεπτή σκόνη που συντελεί στη σημαντική αύξηση της αξονικής δύναμης ώσης. Η μικροδιάτρηση μπορεί να εφαρμοσθεί ως δευτερογενής κατεργασία σε αντικείμενα που έχουν υποστεί κατεργασία με λιθογραφία ή επιμετάλλωση. Στο Σχ. 18 φαίνεται εγκάρσια τομή χάλκινου μικρο-οδοντοτροχού που έχει κατασκευασθεί με λιθογραφική μέθοδο. Η μέση τραχύτητα των τοιχωμάτων της πλήμνης είναι 0.4μm. Μια μικρο-οπή στο ίδιο υλικό έδωσε τραχύτητα 0.15 μm σε μεγάλο μήκος του τοιχώματος της. Μικροδιάτρηση μπορεί να χρησιμοποιηθεί επίσης για την ενίσχυση της λιθογραφίας σε μεγαλύτερου μεγέθους τεμάχια (της τάξης του mm ή/και μεγαλύτερες). Συχνά προκύπτει θέμα παραλληλίας μικρο-οπών μεγάλου βάθους. Για να προσδιοριστεί η παραλληλία των μικρο-οπών, εισάγονται σ αυτές ίνες γυαλιού με πολύ αργή διαδικασία, οπότε καθίσταται δυνατή η διαπίστωση αφενός της ολίσθησης του τρυπάνου πάνω στην κατεργασμένη επιφάνεια και αφετέρου της συγκεντρικότητας του άξονα της οπής με τον άξονα περιστροφής του τρυπάνου. Για παράδειγμα, σε οπές με λόγο μήκος/διάμετρο 8, που διανοίχτηκαν με ταχύτητα περιστροφής τρυπάνου 4000rpm, μετρήθηκε απόκλιση ευθυγράμμισης των αντίστοιχων ινών γυαλιού 0.08 ο (1.5mrad), η οποία αντιστοιχούσε σε κλίση (λοξότητα) της ίνας λόγω μεγαλύτερης απόδοσης διαμέτρου στην οπή από την επιδιωκόμενη τιμή των 0.5μm. Ορισμένοι περιορισμοί στην εκτέλεση της μικροδιάτρησης που απορρέουν από τη γεωμετρία του τρυπάνου είναι οι ακόλουθοι: Λόγω της διαμόρφωσης της κορυφής τρυπάνου, δεν είναι εφικτή η διάνοιξη οπής επίπεδου πυθμένα. Για τη διάνοιξη (τυφλής) οπής επίπεδου πυθμένα χρησιμοποιείται εργαλείο μικροφρεζαρίσματος (κοντύλι) αντί τρυπάνου. Το μειονέκτημα στην περίπτωση αυτή είναι ότι τα μικροτρύπανα έχουν τυπικό λόγο μήκος/διάμετρο L/D = 4 14, ενώ τα αντίστοιχα εργαλεία μικροφρεζαρίσματος έχουν αντίστοιχο λόγο μόνο Κατά τη διάνοιξη κυλινδρικών οπών σε συμπαγές υλικό (π.χ. μικροκαλούπι), πρέπει να υπάρχει κάτω από το κατεργαζόμενο τεμάχιο μια πλάκα βάσης σχετικά μεγάλου πάχους, εκτός και αν 18

19 αρχικό το δομικό υπόστρωμα του υλικού είναι σε θέση να παίξει το ρόλο της πλάκας βάσης. Για βάθη οπής της τάξης των 100 μm, απαιτείται η χρήση πλάκας βάσης ικανού πάχους, Για την πλήρη διάνοιξη οπής (διαμπερής οπή), η κορυφή του τρυπάνου πρέπει να προχωρήσει πέρα από το βάθος της οπής διαδρομή ίση με το 30% της διαμέτρου του τρυπάνου περίπου. Σχήμα 18 19

20 4. Μικροφρεζάρισμα ΕΙΣΑΓΩΓΗ Μεταξύ των συμβατικών κατεργασιών κοπής η πιο ευέλικτη κατεργασία κοπής είναι ίσως το φρεζάρισμα. Το ίδιο φαίνεται λογικό να συμβαίνει και σε μικροκλίμακα με το μικροφρεζάρισμα (micromilling). Το περιφερικό φρεζάρισμα άκρου (end-milling) και το φρεζάρισμα εγκοπών (slot-milling) χαρακτηρίζονται από τις πιο έντονες συνθήκες κοπής σε σύγκριση με τις υπόλοιπες μικροκατεργασίες. Η γεωμετρία ενός κοπτικού εργαλείου αδάμαντα, ακόμη και αν το πλάτος του είναι μικρό, αποδίδει μια σχετικά ισχυρή κατασκευή, στην οποία στο ακρότατο σημείο της κοπτικής ακμής επικρατούν κατ εξοχήν συνθήκες θλιπτικής φόρτισης, ενώ οι συνθήκες καταπόνησης μακριά από την κόψη μετατρέπονται σε καμπτικές με τη ροπή αντίστασης της διατομής να αυξάνεται ταχύτατα όσο αυξάνεται το βάθος διείσδυσης της κόψης. Κατά τη μικροδιάτρηση (microdrilling), όταν εκτελείται σε εργαλειομηχανή λίαν υψηλής ακριβείας, το μικροτρύπανο συμπεριφέρεται ως κεντρικά φορτιζόμενος στύλος. Ανάλογα με τον λόγο μήκος/διάμετρο του τρυπάνου η κρίσιμη αντοχή του σε λυγισμό μπορεί να είναι υπερεπαρκής για την εκτέλεση της κατεργασίας. Στη πράξη, όμως, τα χρησιμοποιούμενα μικροτρύπανα αστοχούν συνήθως λόγω κυκλικής στρεπτικής κόπωσης. Κατά το μικροφρεζάρισμα, όμως, το κοπτικό εργαλείο συμπεριφέρεται ως πρόβολος δοκός, που αντιστοιχεί σε κατάσταση με τη δυσχερέστερη δομή μεταξύ των τριών τύπων κοπτικών εργαλείων που χρησιμοποιούνται σε κατεργασίες μικροκοπής ΕΡΓΑΛΕΙΑ ΜΙΚΡΟΦΡΕΖΑΡΙΣΜΑΤΟΣ Η ανάπτυξη του μικροφρεζαρίσματος άρχισε με απομίμηση ενός περιφερικού κοπτήρα-άκρου (κ. κοντύλι) τεσσάρων πτερυγίων (four-fluted peripheral end milling tool), βλ. Σχ. 19. Οι μικροκοπτήρες κατασκευάζονται με τη μέθοδο της εστιασμένης δέσμης ιόντων (focused ion beam process - FIB), η οποία χρησιμοποιείται ευρύτατα στην τεχνολογία ημιαγωγών σε διάφορους τομείς (mask repair, junction and metallization layer sectioning). Η βασική λειτουργία της μεθόδου στηρίζεται στο γεγονός ότι η δέσμη ιόντων μπορεί να αφαιρεί υλικό σε ατομική κλίμακα. Η μέθοδος FIB χρησιμοποιεί μια πολύ αιχμηρή βελόνα βολφραμίου, με ακτίνα κορυφής στην κλίμακα υποπολλαπλάσιου του μm (υπομικροσκοπική κλίμακα - submicrometer range), και εμβαπτισμένη σε μεταλλικό γάλλιο. Η κορυφή υποβάλλεται σε διαφορά δυναμικού 6kV (extraction voltage), η οποία προκαλεί ιονισμό του γαλλίου. Τα παραγόμενα ιόντα γαλλίου επιταχύνονται έως ότου αποκτήσουν ενέργεια 20keV, εστιάζονται σε ένα υπομικροσκοπικό στίγμα (spot) και οδηγούνται πάνω στο τεμάχιο μέσω ενός ελεγχόμενου από Η/Υ οκταπολικού ηλεκτροστατικού πεδίου. Η κινητική ενέργεια των ιόντων γαλλίου προκαλεί την αποβολή ατόμων από το τεμάχιο με μια διαδικασία sputtering. Μολονότι το αποτέλεσμα της διεργασίας εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, γενικά αντιστοιχούν 3-5 άτομα του τεμαχίου σε κάθε προσπίπτον ιόν. Η ηλεκτρονικά ελεγχόμενη οδήγηση των ιόντων επιτρέπει την κατασκευή μεγάλης ποικιλίας σχημάτων, μεταβάλλοντας απλά την έκταση του ράστερ (raster extent, οριζόντιες αδιαμόρφωτες γραμμές της οθόνης), την ταχύτητα του ράστερ και τον χρόνο παραμονής (dwell time) της δέσμης ιόντων. Το μεγαλύτερο μειονέκτημα της κατεργασίας αυτής είναι ότι η δέσμη ιόντων ακολουθεί κατανομή Gauss, γεγονός που σημαίνει ότι απομακρύνεται περισσότερο υλικό στην περιοχή του άξονα της δέσμης και λιγότερο στην περιφέρεια της δέσμης. Σε μερικές εφαρμογές, όμως, αυτή η κατανομή μπορεί να γίνει πλεονέκτημα λόγω αναλογικής κατανομής της αποβολής υλικού. 20

21 Σχήμα 19: Ο πρώτος μικροκοπτήρας 4-πτερυγίων που κατασκευάστηκε με τη μέθοδο FIB Το εργαλείο FIB έχει εστιακό στίγμα μεγέθους 0.4μm, με συνολικό ρεύμα 2nA και αποδίδει πυκνότητα ρεύματος ~1.6A/cm 2. Με δεδομένη ενέργεια ιόντος, αυτή η τιμή προκαλεί μια πολύ υψηλή προσπίπτουσα ενέργεια στην επιφάνεια του κατεργαζόμενου τεμαχίου. Η τυπική τιμή του ρυθμού αποβολής υλικού είναι της τάξης του 0.5μm 3 /s και επιτρέπει ολοκλήρωση κατασκευής των πλείστων εργαλείων και διατάξεων μέσα σε λίγες ώρες. Η οριακή εγκάρσια ανάλυση (ευκρίνεια) της δέσμης ιόντων είναι 50nm, αλλά για τη κατεργασία που παρουσιάζεται εδώ η ανάλυση ήταν της τάξης των 200nm. Το εργαλείο μικροφρεζαρίσματος ξεκινά ως κυλινδρικό τεμάχιο από σκληρό υλικό (π.χ. εργαλειοχάλυβας, καρβίδιο του βολφραμίου). Το αρχικό τεμάχιο μπορεί να έχει οποιαδήποτε διάμετρο. Στη συνέχεια θα περιγραφεί η κατασκευή μικροκοπτήρα διαμέτρου 22μm από ένα σπασμένο μικροτρύπανο με ονομαστική διάμετρο κοπτικού άκρου 25μm. Το τεμάχιο αποτελεί τμήμα του συστήματος άξονα/εργαλείου μικροδράπανου λίαν υψηλής ακριβείας που έχει υποστεί άκεντρη λείανση και lapping. Το στάδιο της κατεργασίας FIB περιλαμβάνει έναν περιστρεφόμενο δείκτη μέσω βηματικού κινητήρα, που χρησιμοποιείται για να συγκρατεί και να περιστρέφει το συνδυασμό εργαλείο/άξονα στο οριζόντιο επίπεδο. Το εργαλείο τεσσάρων πτερυγίων επιτρέπει στη δέσμη ιόντων να απομακρύνει υλικό σε μεγάλη περιοχή κοντά στην επιδιωκόμενη κοπτική ακμή. Με τη διαδικασία αυτή επιτυγχάνονται καλά στρογγυλεμένες κοπτικές ακμές, αλλά τα αποτελέσματα φρεζαρίσματος είναι σχετικά φτωχά, βλ. Σχ. 20. Για να αυξηθεί η αιχμηρότητα των κοπτικών ακμών, εφαρμόζεται μια διαφορετική διαδικασία που οδηγεί στο σχεδιασμό εργαλείου με μία θυσιαζόμενη κοπτική ακμή. Δηλαδή, σχεδόν μία από τις κοπτικές ακμές εκτελεί στην πραγματικότητα κοπή. Η δέσμη ιόντων ρεστάρεται (μέσω ηλεκτρονικού ελέγχου) μέσα σε ένα ορθογωνικό πεδίο κοντά στο ένα άκρο του τεμαχίου, βλ Σχ. 21. Με τη σάρωση (σκανάρισμα) της δέσμης αφαιρείται υλικό από το τεμάχιο και σχηματίζεται ένα κάθετο επίπεδο. Η πάνω ακμή του επιπέδου είναι καλά στρογγυλεμένη λόγω της κατανομής Gauss της δέσμης και, κατά συνέπεια, δεν μπορεί να παίξει το ρόλο κοπτικής ακμής. Το σχηματιζόμενο επίπεδο λειτουργεί ως φίλτρο αποκοπής (cut-off filter) και, όταν η δέσμη φθάνει στην κάτω ακμή του επιπέδου, οι επιπτώσεις της κατανομής Gauss έχουν ελαχιστοποιηθεί σε πολύ μεγάλο βαθμό. Τούτο έχει ως αποτέλεσμα το σχηματισμό αιχμηρής τομής μεταξύ του επιπέδου και της κάτω πλευράς του εργαλείου, η οποία εξελίσσεται σε διαμήκη κοπτική ακμή. Μετά το σχηματισμό της πρώτης κοπτικής ακμής, το εργαλείο περιστρέφεται 180 ο μέσω της βελόνας-δείκτη και κατασκευάζεται με τον ίδιο τρόπο η δεύτερη κοπτική ακμή. Συνεπώς, κατά το 21

22 μικροφρεζάρισμα, ενεργούν κατά την περιστροφή του κοπτήρα δύο αντιδιαμετρικές κοπτικές ακμές. Τα αντίστοιχα κοπτικά εργαλεία χρησιμοποιούνται ευρέως σε πολλές κατεργασίες μικροφρεζαρίσματος. Σχήμα 20: Εκσκαφή (ποκέτα) κατασκευασμένη με κοπτήρα 4 πτερυγίων (Ο πυθμένας είναι τραχύς, τα τοιχώματα πολύ κεκλιμένα και οι τομές τους καλά στρογγυλεμένες. Ταχύτητα περιστροφής ΚΕ: 15000rpm) Σχήμα 21: Εναλλακτική χρήση της μεθόδου FIB 22

23 Στο Σχ. 22 παρουσιάζονται δύο διαφορετικοί μικροκοπτήρες 2- πτερυγίων. Το πρώτο εργαλείο [Σχ. 22(α)] δεν έχει καμιά ελευθερία πίσω από την κοπτική ακμή, με αποτέλεσμα να αναπτύσσεται τριβή μεταξύ της περιμέτρου του εργαλείου και του κατεργαζόμενου τεμαχίου. Τούτο προσθέτει επιπλέον κοπτικά φορτία στο εργαλείο, αλλά ταυτόχρονα συνεισφέρει στην στίλβωση τοιχώματος και πυθμένα αποδίδοντας λεία τοιχώματα. Το δεύτερο εργαλείο [Σχ. 22(β)] έχει κόψη με γωνία ελευθερίας, αλλά δομικά είναι ασθενέστερο από το πρώτο. Δεν έχει καταστεί δυνατό να ληφθούν αποτελέσματα κατεργασίας με το εργαλείο αυτό διότι αστοχούσε σε πολύ πρώιμο στάδιο. (α) (β) Σχήμα 22: Δύο διαφορετικά είδη μικροκοπτήρων με 2 πτερύγια (α) Διάμετρος κοπτήρα: 22μm, μήκος κόψης: 77μm, μηδενική ελευθερία κόψης (β) Κοπτήρας τετραγωνικής διατομής, δύο ακμές συμμετέχουν στην κοπή, δύο πλευρές είναι κεκλιμένες ώστε να σχηματίζουν με τις γειτονικές τους πλευρές (σε κάθε κόψη) γωνία ελευθερίας. Πρόκειται για εργαλείο πολύ ασθενές έναντι στρεπτικής καταπόνησης ΤΥΠΙΚΑ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΜΙΚΡΟΦΡΕΖΑΡΙΣΜΑΤΟΣ Παράδειγμα 1: Μικροφρεζάρισμα σε PMMA. Οι κατασκευές που προέκυψαν είναι αντιπροσωπευτικές αυτών που συναντώνται σε καλούπια και/ή εκμαγεία (μάσκες) μικρομηχανικών εφαρμογών. Κατασκευάστηκαν με μικροφρεζάρισμα τρεις εκθετικές σπείρες συνδεόμενες με ευθύγραμμη αύλακα σε ειδική, λίαν υψηλής ακριβείας εργαλειομηχανή μικροφρεζαρίσματος/μικροδιάτρησης (Σχ. 23). Η διάμετρος του προτύπου ήταν ~1.5mm και το βάθος της αύλακας 62μm. Το επιδιωκόμενο βάθος ήταν 60μm και το εργαλείο τοποθετήθηκε στο άθικτο τεμάχιο χειροκίνητα με τη βοήθεια video-μικροσκοπίου. Η ταχύτητα περιστροφής του εργαλείου ήταν 19000rpm και η ταχύτητα πρόωσης 35μm/s. Η κατεργασία ολοκληρώθηκε σε 15 πάσσα, το καθένα με βάθος κοπής 4μm. Ο συνολικός χρόνος κοπής για την ολοκλήρωση της κατασκευής ανήλθε σε 3h, ενώ ο συνολικά αφαιρεθείς όγκος υλικού ΡΜΜΑ ήταν μm 3. Το εργαλείο είναι σε θέσει να αποδώσει πολύπλοκες λεπτομέρειες σε μια περιοχή όπου κατασκευάζονται διαβαθμίσεις στο πλευρικό τοίχωμα, βλ. Σχ. 24. Λόγω των πολλών πάσσων (αντί του ενός με βάθος κοπής 62μm), οι δυνάμεις κοπής ελαχιστοποιήθηκαν και κατέστη δυνατή η κατασκευή λεπτών τοιχωμάτων, βλ. Σχ. 25. Το ελεύθερο πλάτος του λεπτού τοιχώματος ανήλθε σε 8μm. Λεπτά τοιχώματα πλάτους 4μm και ύψους 10μm έχουν κατασκευαστεί με μικροφρεζάρισμα και σε άλλες μικροκατασκευές. Στην παρούσα εφαρμογή, οι διαστάσεις δεν κατέβηκαν κάτω από 22μm, λόγω της ανάγκης εκτέλεσης άλλης κατεργασίας στην περιοχή διαστάσεων των 125μm. 23

24 Σχήμα 23 Σχήμα 24 24

25 Σχήμα 25 Παράδειγμα 2: Κατασκευή μάσκας με μικροφρεζάρισμα. Οι μάσκες που κατασκευάζονται με μικροφρεζάρισμα έχουν τα ίδια γενικά χαρακτηριστικά με τις μάσκες που κατασκευάζονται με λιθογραφικές μεθόδους, τα υλικά και οι διαστάσεις τους όμως διαφοροποιούνται για να επιτρέπουν την εκτέλεση μηχανικής μικροκοπής. Κατά το μιικροφρεζάρισμα, χρησιμοποιούνται είτε κοινοί μικροκοπτήρες διαμέτρου 50μm, είτε ειδικοί μικροκοπτήρες με διάμετρο 50μm. Η κατεργασία αναπτύσσει ειδικά χαρακτηριστικά (tench-like features) για κάθε πολύπλοκη γεωμετρία που είναι συμβατή με το φρεζάρισμα και μπορεί να αλλάζει κατά το βάθος κατεργασίας. Το βάθος των χαρακτηριστικών εξαρτάται από τη διάμετρο του κοπτήρα και το επιθυμητό αποτέλεσμα. Οι ακραίες διαστάσεις χαρακτηριστικών που έχουν επιτευχθεί με μικροφρεζάρισμα είναι βάθος 63μm και πλευρικό πλάτος 8μm με διάμετρο κοπτήρα 22μm. Επειδή το πάχος του στρώματος απορρόφησης στις περισσότερες μάσκες ακτίνων-χ είναι της τάξης των 10μm, είναι προφανές ότι το μικροφρεζάρισμα μπορεί να αποτελέσει άμεση και ταχεία μέθοδος κατασκευής για τις μάσκες αυτές. Μία μάσκα που μπορεί να δεχθεί άμεσα μικροφρεζάρισμα πρέπει να διαθέτει ένα υπόστρωμα ικανού πάχους (transmission membrane), δεδομένου ότι η επιπεδότητα του υποστρώματος σε συνδυασμό με μεταβολές κατά το πάχος αποκλείει τη χρήση λεπτών μεμβρανών, όπως συμβαίνει στην περίπτωση των συμβατικών μασκών. Μεμβράνες Ti, Si, κλπ. έχουν συνήθως πάχος λίγων μm και κατασκευάζονται με χημική εγχάραξη της οπίσθιας πλευράς του αρχικού, μεγαλύτερου πάχους υποστρώματος. Μολονότι έχει κατασκευαστεί με μικροφρεζάρισμα μεμβράνη μάσκας Al πάχους μόλις 6μm, απαιτείται πολύ μεγάλη προσοχή και σημαντικός χρόνος για τον έλεγχο επιπεδότητας και βάθους. Το δε κατεργαζόμενο με μικροφρεζάρισμα υπόστρωμα μάσκας πρέπει να είναι ικανού πάχους και υψηλής αντοχής, για να είναι σε θέση να δέχεται αποτελεσματικά τις δυνάμεις κοπής και τις μεταβολές του βάθους κοπής και επιπλέον πρέπει να είναι επαρκώς διαφανές έναντι των ακτίνων-χ. Συγχρόνως, το απορροφητικό στρώμα που εναποτίθεται πάνω στο υπόστρωμα πρέπει να είναι επαρκώς αδιαφανές έναντι των ακτίνων-χ, να είναι κατεργάσιμο με την ελάχιστη φθορά εργαλείου και με καλό διαστασιακό έλεγχο. Τέλος, η πρόσφησή του στο υπόστρωμα πρέπει να είναι ιδιαίτερα καλή, ώστε να μη σημειώνεται αποκόλληση (delamination) από τη δράση των δυνάμεων κοπής. Αρχικά, χρησιμοποιήθηκε το ίδιο υλικό για υπόστρωμα και απορροφητή. Επιλέχθηκε το Al και από δοκιμές εφαρμόσθηκε πάχος 6μm για το υπόστρωμα και 40μm για τον απορροφητή, που πέτυχαν ικανοποιητικό contrast κατά την έκθεση στην ακτινοβολία, βλ. Σχ

26 (α) (β) (γ) Σχήμα 26: (δ) Μία χαρακτηριστική ιδιότητα αυτής της μεθόδου κατασκευής μάσκας είναι ότι το μεταβαλλόμενο πάχος του απορροφητή οδηγεί σε αντίστοιχες διατάξεις έκθεσης με συνεχώς μεταβαλλόμενο πάχος, βλ. Σχ. 27. Σχήμα 27 26