micro i nano obrade 2010.pdf

FSB, Proizvodo strojarstvo, OSIP

POSTUPCI OBRADE ODVAJANJEM

mikro i nano obrade

Mikro i nano obrade



mikro i nano obrade

Što su mikro i nano obrade

mikro-OBRADE

Obrade za proizvodnju minijaturnih komponenti i dijelova. Početak

imaju u 60-tim godinama, kad se javlja značajnija potreba za

proizvodnjom elektroničkih komponenti malih dimenzija. Danas najznačajnije primjene u proizvodnji dijelova elektroničke opreme, medicinske opreme, senzora itd.



mikro i nano obrade

Područje mikro i nano obrada

Obrada MESO i LIGA Mikrominijaturnih obrada obrada

dijelova

glavne dimenzije, m

SANDIA



mikro i nano obrade

Područje mikro i nano obrada

Obrada MESO i LIGA mikrominijaturnih obrada obrada

dijelova

Značajka: 1mm 1um to 50 nm <50 nm Dimenzije: >5 mm 100 um 1um

Modificirao SNL


Koliko je velik 1 µm ?


mikro i nano obrade

Što je µm (“mikron”)

Mina za olovku500 µm

Pelud20 µm

1 µm

Vlas kose100 µm

Crvena krvna zrnca8 µm

Spajalica za papir 800 µm


Domena dimenzija i preciznosti


mikro i nano obrade

Precizno Vrlo precizno Ultra precizno

Ma

kro

Me

so

Mik

roN

ano

MEMS

“uobičajena”

OOČUltra precizne konv. obrade

Ultra precizne mikro obrade

Znanost o materijalima

Vel

ičin

a zn

ačaj

ki

Preciznost značajki

MEMS -mikro-Electronic Mechanical Systems

Sustavi koji omogućuju serijsku izradu senzora,

elektronike i aktuatora na jednom “ćipu”.


Evolucija dimenzija


mikro i nano obrade

Vel

ičin

a zn

ačaj

ki[n

m]

Mikro tehnologije

Mikro-nano tehnologije

Mikroelektronika/nanoelektronika

Molekularne znanosti i tehnologije

Ob

rad

aK

reir

anje

Mikro-nano tehnologije



mikro i nano obrade

Primjer mikro-zupčanika i glave mrava

Mrav

i

zupčanik



mikro i nano obrade

Primjer mikro obrade u obradi lančanika

SANDIA

500 µm



mikro i nano obrade

Primjer alata za mikro obrade



mikro i nano obrade

Primjeri alata za mikro obrade

Alat za obradu mikroutoraGlodalo



mikro i nano obrade


Alat za obradu tokarenjem izrađeni od brzoreznog čelika IBM-om



mikro i nano obrade


Dvoperno TM (WC) mikro glodalo promjera 100 µµµµm



mikro i nano obrade

Primjer alata za mikro obrade



mikro i nano obrade

mikro i nano obrade

Materijal obratka: SKD 11

Debljina obratka: 2.0 mm

Promjer žice: 30 µm

Vrsta žice: W

Vrijeme obrade: 3h 5'

Hrapavost površine: 0,8 µm

Primjer obrade minijaturnog zupčanika od kaljenog čelika primjenom mikro EDM postupka



mikro i nano obrade

mikro i nano obrade

Primjer mikro obrade minijaturnog zupčanika

Vlas kose



mikro i nano obrade

mikro i nano obrade

Provrti promjera 400 µm, 250 µm i 75 µm Utor širine 400 µm i duljine 2,2 mm

Provrti i utori u kateteru promjera 1,75 mm



mikro i nano obrade

mikro i nano obrade laserom

OBRADA FEMTO-SEKUNDA LASERIMA

Usporedba laserkih obrada provrta :

a) femto-sekunda laser u atmosferi (širina pulsa 120 femto sekundi)

b) femto-sekunda laser u vakuumu (širina pulsa 120 femto sekundi)

c) YAG laser (λ=1,06 µm; širina pulsa 100 nano sekundi; P=50mW; 2kHz)



mikro i nano obrade




mikro i nano obrade


Obrada excimer laserom:

a) set mlaznica promjera 30 µm u poliamidu (za ink-jet pisače)

b) mlaznice s nelinearnim konusom koje pomažu laminarno strujanje fluida



mikro i nano obrade


Spiralno raspoređeni utori pravokutnog presjeka 50 x 20 µm u akrilnim optičkim vlaknima promjera 100 µm, obrađeni primjenom ArF lasera (senzori za mjerenje parcijalnog tlaka kisiska u krvi).

Rotor mikroturbine (za krvožilni sustav) promjera 470 µm i visine 130 µm izrađen od nikla, izrađen elektroplatiniranjem obratka od PMMA obrađenog ArF laserom.



mikro i nano obrade


Mikro-zmaj izrađen LBM postupkom


Usporedba konvencionalnog i femto-sekunda lasera


mikro i nano obrade



mikro i nano obrade

Primjeri obrade vrlo malih značajki ili obradaka

WEDG (wire electrodischarge grinding) izumljeno 1982. i postalo najmoćnija tehnika obrade vrlo mali koveksnih dijelova.

Mikroprovrt obrađenEDM-om

Mikroprovrt u kvarcnom staklu obrđen USM-om

Mikropin ø4.5µm obrađen WEDG-om



mikro i nano obrade


Mikro alati izrađeni ELID brušenjem

Electrolytic-in-Process Dressing (ELID) Grinding. ELID brušenje je proces abrazijskog brušenja pri kojem se koristi elektrokemijsko dressing



mikro i nano obrade


5 µm dubok spiralni utor na Ni limu.

Preciznost nano ECM obrade vidljiva je na gornjem prikazu. Primjenom naponskih pulsa trajnosti 500 ps postignuta je preciznost manja od 100 nm.



mikro i nano obrade

Prefiksi mjernih jedinica



mikro i nano obrade

Usporedba tehnologija za mikro i nano obrade



mikro i nano obrade

Tehnologije za mikro i nano obrade

U zadnje vrijeme razvijen je niz alatnih strojeva i metoda za

mikrobrade: alatni stroj za elektroerozijsku mikroobradu (mikro-

electrodischarge machining, mikro-EDM), brusilica za

elektoerozijsko brušenje (wire electrical discharge grinding

WEDG), uređaji za mikro elektrokemijsku obradu (mikro-

electrochemical machining), obrade laserom (laser beam

machining LBM), obrada mlazom iona (focussed ion beam

machining FIB), mikroglodanje, mikro obrada ultrazvukom, itd.



mikro i nano obrade

Problemi kod mikro i nano obrada

Problemi kod konvencionalnih mikro-obrada:

• Preciznost

• Izrada alata

• Odvajanje materijala i vibracije

• Odnos dimenzija i tolerancija (značajno veći nego inače)

• Utjecaj okoline na dimenzije (temp.)

• Mjerenja

• Rukovanje obratkom

• Omjer volumen/oplošje



mikro i nano obrade

Dimenzije i tolerancije

Nepovoljno:

tolerancija > dimenzija

10-1 10-3 10-5 10-7 10-9

123

4

6

5

1 – nano tehnologije

2 – MEMS

3 – ultra-precizne

obrade

4 – konvencionalne

obrade

5 – konvencionalne

Meso obrade

6 – ultra-precizne

Meso obrade

Dimenzije, D[m]

To

lera

nci

je, T

[m]

10-11

10-9

10-7

10-5

10-3

10-1

Pravci stalnog omjera T/D

10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1

Nepovoljno: tolerancija < atoma10-10 m



mikro i nano obrade

Formiranje čestica kod mikro obrade

FRAUNHOFER INSTITUT

Formiranje čestice pri obradi bakra dijamantnim alatom

Snimanje postupka obrade SEM uređajem



mikro i nano obrade

Alati i odvojene čestice kod mikro obrade

Alat s česticomNakon obrade PMMA ?

Alat s česticomnakon obrade aluminija

"Scanning elekron mikrograph" obrade mikro-utora



mikro i nano obrade

Trend ka smanjenju dimenzija

Smanjenje mase automobilskoga ABS sustava (izvor Bosch)

Opće značajke proizvodnje:

• veća točnost

• manje dimenzije

• manja masa

• veći omjer površina/volumen

• veći značaj integriteta površine



mikro i nano obrade

Primjer stroja za mikro obrade



mikro i nano obrade


3-osna vertikalna HSC glodalica

Osi: 60x100x30 mm

Rezolucija: 50 nm

(linerana optička mjerna skala)

Glavno vreteno: DC motor (bez četkica)

s 200000 min-1




mikro i nano obrade




mikro i nano obrade

The Delta Cube II prototype

Mali EDM stroj razvijen na Ecole Polytechnique Fédérale deLausanne (EPFL). Spojen je na novu generaciju EDM generatorarazvijeom u tvrtki AGIE.



mikro i nano obrade

Zastupljenost strojeva za mikro obrade



mikro i nano obrade

Zahtjevi tržišta u odnosu na mikro obrade

• Obrada sve kompleksnijih površina (rotacijski nesimetrične površine i drugi oblici slobodnih površina)

• Veća preciznost obradaka i veća kvaliteta obrađene površine (PV 0.05 µm na 25x25 mm; Ra<1nm)

• Obrada novih materijala koji se stalno javljaju

• Veća proizvodnost

• Učinkovitije i jeftinije tehnike obrade



mikro i nano obrade

Zahtjevi tržišta koje treba ispuniti

• Razviti strojeve s mogućnošću više vrsta obrade u jednom stezanjau (tokarenje, glodanje, mjerenje i sl.)

• Razviti nove tehnike za testiranje dijelova i mjerenja.

• Bolje razumijevanje procesa mikro-obrade.

• Veća ulaganja u istraživanje i razvoj



mikro i nano obrade

Znanstvene zadaće u mikro obradama

• Dinamika procesa rezanja (mikro "chatter") i utjecaj na točnost obratka.

• Meso/mikro alatni strojevi nisu tehnološki učinkoviti u smislu zahtjeva za raznolikost obrada, krutost sustava i toplinsku stabilnost

• Meso/mikro dijelovi zahtijevaju nove metode mjerenja i mjerne tehnike.

• Nedostataka ultra-preciznih mjerila/senzora za mjerenja 3D Meso/mikro dijelova



mikro i nano obrade

Tehnološke zadaće u mikro obradama

• Integracija i primjena više postupaka obrade na jednom alatnom stroju (krutost stroja i toplinska stabilnost utječu na dimenzije stroja i obradaka).

• Uključivanje (integracija) mogućnosti mjerenja obratka u alatni stroj.

• Raspoloživost ultra-precizne mjerne opreme za provjeru i verifikaciju dijelova sa složenim, slobodnim površinama.

• Raspoloživost troškovno isplativih materijala i procesa.



mikro i nano obrade

Neke značajke i postupci obrade u mikro obradama

ProvrtiZa obradu provrta u meso/mikro području spomenut će se postupci bušenja, EDM,

excimer laser i femto-sekunda laser.

1) Bušenje – Današnje stanje ocrtava primjena svrdala promjera 100-150 µm, a cilj je

ovom tehnologijom obrađivati provrte promjera 25-50 µm. U laboratorijskim

uvjetima obrađuju se provrti promjera 20 µm i dubine 60-80 µm.

2) EDM – trenutno se sapnice za dizelska goriva izrađuju EDM-om u promjeru 150

µm za 0.1 s, a verifikacija se vrši kontrolom protoka goriva (utvrđena je tolerancija

u iznosu 10-20 µm). Trenutni cilj je izrađivati provrte promjera 100 µm.

3) Obrada excimer laserima – trenutno provrti promjera 50 –125 µm. U

laboratorijskim uvjetima obrađuju se provrti promjera 6 µm.

4) Obrada femto-secunda laserima – U laboratorijskim uvjetima obrađuju se provrti

promjera 1 µm.



mikro i nano obrade


Utori

Dosadašnja praksa pokazuje da je glodanje jedan od najprikladnijih, a

među "mehaničkim" postupcima jedini, proces obrade za obradu utora.

U današnjim uvjetima obrađuju se utori širine 125 µm, a u laboratorijskim

uvjetima obrađuju se utori širine 20 µm .

Rotacijski simetrične značajke

Tokarenje je primarni proces za obradu rotacijski simetričnih dijelova

malih dimenzija. U današnjim uvjetima obrađuju se dijelovi s promjerima

250 – 500 µm i s hrpavošću obrađene površine Ra = 1,5 µm.

U laboratorijskim uvjetima obrađuju se rotacijski simetrični dijelovi

promjera 100 µm i i s hrpavošću obrađene površine Ra = 0.2 µm



mikro i nano obrade

Primjena simulacije kod mikro i nano obrada

Simulacija na razini atoma

1. Nanoobrade neželjeznih materijala kao što su Cu i Al

2. Utjecaj parametara kao što su prednji kut, polumjer vrha (i polumjer oštrice) i dubine rezanja na silu reanja, natražnu silu, omjer sila i specifičnu energiju

3. Nanoobrada materijala poznate orjentacije kristala

4. Glodanje

5. Nanoobrada poluvodičkih materijala (na pr. silicij)

6. “Kosa” obrada.

[8]



mikro i nano obrade


γγγγ= -30°°°° γγγγ= -15°°°° γγγγ= 0°°°°

γγγγ= -75°°°° γγγγ= -60°°°° γγγγ= -45°°°°

[8]



mikro i nano obrade

Primjena simulacije kod mikro i nano glodanja

[8]



mikro i nano obrade


Simulacija nanoobrade silicija pri γγγγ = -30°°°°, ap=1,1 nm (rina obrade = 3,25 nm) [8]



mikro i nano obrade

Literatura

1. S. G. Kapoor, J.W. Bayne: Current State of mikro-Scale Machine Tool Systems and Machining Research, University of Illinois, 2004

2. S. Badrawy: Machine Tools for Ultra-Precision and mikroManufacturing, University of Illinois, 2004

3. J. Shanahan: Trends in mikro Machining Technologies, MMS, 2004 ?

4. O. Rübenach, V. Sinhoff: mikro Technology – Applications & Trends, ingeneric gmbh, Aachen, 2002

5. B. Leifheim: Precision and Ultra Precision Machine Tools, Fraunhofer Institute of Production Technology IPT Aachen, 2002

6. G.L. Benavides, D.P. Adams, P. Yang: Meso-machining capabilities, SANDIAREPORT, Sandia National Laboratories, 2001

7. S. Kalpakjian, Schmid: Manufacturing Engineering and Technology, (Chapter 26,Advanced Machining Processes and Nanofabrication), Prentice-Hall 2001

8. R. Komanduri: METAL CUTTING - from Science to Art, , Oklahoma State University, Stillwater, OK

micro i nano obrade 2010.pdf

Documents