TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ VI GIA CÔNG

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ VI GIA CÔNG

Công nghệ sản xuất vi gia công được định nghĩa như là những qui trình
dùng để chế tạo những cụm chi tiết, những hệ thống mà ở đó kích thước
gia công được mô tả ở cấp độ micrometers. Công nghệ vi gia công cũng có
thể được mở rộng định nghĩa như là những quá trình sản xuất mà ở đó dụng
cụ gia công nhỏ hơn 1mm. Ngày nay, có nhiều công nghệ gia công chính
xác đã được ứng dụng trong công nghệ chế tạo vi mạch và công nghệ chế
tạo đồng hồ.
Công nghệ vi gia công làm cầu nối giữa quá trình sản xuất MEMS và năng
lực sản xuất của công nghệ gia công thông thường. Một nhóm quá trình
công nghệ vi gia công được gọi là công nghệ gia công trọng điểm M4 hoặc
Micro/Meso về bức xạ ion, phay micro, tiện micro, khoan micro, gia công
tia laser và công nghệ LIGA. Những công nghệ này được dùng để gia công
những vật liệu như aluminum, titanium và thép không gỉ, đặc trưng của
quá trình là gia công đạt được kích thước 34 microns. Công nghệ M4 cũng
có thể được xem như là một công nghệ thu nhỏ của công nghệ sản xuất
thông thường. Nó cũng có quá trình bóc vật liệu như những công nghệ
không truyền thống khác.
Mặt khác, công nghệ MEMS cho phép sử dụng kỹ thuật in thạch bản
(photo-lithography) và dựa vào vật liệu nền silicon. Quá trình in thạch
bản bao gồm màng hoá học, quá trình oxi hoá cũng như những quá trình sử
dụng vật liệu silicon và vật liệu nền silicon khác. Công nghệ trên chắc
chắn rằng chi phí cho mỗi đơn vị sản phẩm là thấp. Vấn đề này được chứng
minh thông qua những công nghệ vi gia công được phát triển rộng rãi
trong những năm gần đây.
CÔNG NGHỆ MEMS
Hệ thống vi-cơ-điện (Micro-Eectro-Mechanical system (MEMS)) cho phép sử
dụng công nghệ chế tạo vi gia công bằng cách tích hợp các phần tử cơ
khí, những bộ cảm biến, bộ khuếch đại và điện tử trên lớp nền silicon.
Thiết bị của MEMS thì rất nhỏ. Hơn nữa, MEMS đã từng chế tạo những sợi
dây điện của động cơ nhỏ hơn đường kính của sợi tóc. Những cổng điện tử
được chế tạo bằng cách sử dụng những quá trình mạch tích hợp (IC) liên
tiếp như CMOS, Bipolar, hoặc quá trình BICMOS. Những chi tiết vi gia
công được chế tạo bằng cách sử dụng những qui trình vi gia công mà ở đó
việc bóc ra những phần của tấm mỏng silicon hoặc thêm vào những lớp nền
để hình thành nên những thiết bị cơ khí và thiết bị cơ-điện.
MEMS đã giữ được thăng bằng đối với những thay đổi lớn về mỗi loại sản
phẩm gần đây bằng cách tích hợp lại mạch vi điện nền silicon với công
nghệ vi gia công, tạo ra một hệ thống hoàn thiện trên một con “chip”. Nó
có khả năng phát triển sản phẩm nhanh đó là tăng cương khả năng tính
toán của vi mạch điện với sự cảm nhận và khả năng điều khiển của những
bộ cảm biến vi mô và bộ khuếch đại vi mô.

Công nghệ MEMS đã từng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như
công nghệ sinh học, công nghệ thông tin, thiết bị gia tốc kế. MEMS đã
từng được sử dụng cho một loạt thiết bị từ những vật dụng trong gia đình
cho đến các chi tiết trang trí trong ôtô.
Micro EDM.
Gần đây, có nhiều chi tiết có kích thước rất nhỏ (micro) được chế tạo
bằng công nghệ sản xuất vi- điện. Mặc dù, chúng có thể sản xuất những
cấu trúc chính xác về kích thước nhưng chúng vẫn thiếu khả năng gia công
đối với kích thước thứ 3, và hầu như bị hạn chế về silicon như một vật
liệu nền. Ngày nay với chiến lược quan trọng là phát triển và sản xuất
những cấu trúc vi mô 3 kích thước .
Micro- EDM (Micro Electro Discharge Machining) làm tăng khả năng sản
xuất những cấu trúc vi mô có dạng rỗng bằng những vật liệu và silicon
được quét sơn. Độ chính xác của hình dáng chi tiết được xác định thông
qua hình dạng của điện cực dụng cụ, quỹ tích di chuyển của nó, khoảng
cách phóng điện giữa điện cực và chi tiết gia công. Về bản chất, EDM là
một quá trình gia công cơ-nhiệt-điện mà ở đó cho phép sử dụng khả năng
xói mòn bằng sự phóng điện, tạo lập giữa điện cực dụng cụ và điện cực
chi tiết, để bóc đi vật liệu chi tiết gia công. Micro-EDM có thể sản
xuất được đặc điểm hình dáng hình học 2 hoặc 3 kích thước. Đặc biệt, nó
có thể đạt được kích thước nhỏ nhất là 25 micromet và dung sai và sai là
3 micromet. tốc độ cắt ( tốc độ bóc vật liệu) là khoảng 25 triệu
(micromet3/s).
Trong công nghệ Micro-EDM, quan điểm là hạn chế năng lượng trong lúc
phóng điện để chế tạo ra những sản xuất vi mô có bề mặt đạt độ chính xác
cao. Năng lượng trong mỗi lần phóng điện nên được cực tiểu trong khi
tần số phóng điện được tăng lên. Năng lượng trong mỗi lần phóng điện là
10-6 J đến 10-7J. dưới những điều kiện ấy, nó có thể đạt được những bề
mặt có độ bóng Rmax= 0.1mm, bằng những năng lượng điện cực tiểu. Quá
trinh Micro-EDM sản xuất rất nhiều chi tiết kim loại nhỏ, nhiều chi tiết
nhỏ hơn so với qui trình khoan và phay đã từng nhìn thấy.
Quá trình gia công chính xác cao có thể thực hiện được mà không sử dụng
lựcép lên trên vật liệu, bao gồm những bề mặt cong, bề mặt nghiêng và
những tấm rất mỏng. Micro-EDM có thể dễ dàng thực hiện gia công một lỗ
có độ sâu 5 lần đường kính nòng súng.
Micro-EDM có khả năng gia công những vật thể có cấu trúc vi mô 3D phức
tạp bằng những vật liệu dẫn điện, dẫn nhiệt có độ cứng khác nhau.
Silicon là một vật liệu hấp dẫn do bởi đặc tính cơ và điện của nó là tốt
cũng như vai trò quan trọng và chi phí thấp. Đây là một loại vật liệu
dẫn nhiệt, dẫn điện kém, phổ biến trong ngành công nghiệp điện, khó mà
gia công bằng cách sử dụng những công nghệ thông thường nhưng lại dễ
dàng với công nghệ Micro-EDM. Hơn nữa, Nó thì thích hợp cho việc làm
khuôn vi mô mà ở đó có thể chế tạo đa dạng các chi tiết như turbines,
bàn quang học, cụm chi tiết lưu chất, hệ thống phân tích mao dẫn.
Micro-EDM cũng thích hợp choviệc tạo mẫu nhanh khi đó chi phí để sản
xuất những khuôn vi mô ít hơn so với những phương pháp khác.
Lithography
Quá trình in thạch bản hay in ốp sét(Lithography), đã từng ứng dụng
trong công nghệ chế tạo MEMS, những hệ thống và những chi tiết rất nhỏ ở
cấp độ micro như chi tiết điện, những bộ cảm biến có đường dẫn bên
trong, cũng như những bộ cảm biến về áp suất và lưu chất, quy trình công
nghệ tương tự như việc tạo một tấm hình trong phòng tối. Hơn nữa, vật
liệu nhạy cảm với ánh sáng (photo emulsion) thì được phủ mỏng lên tấm
giấy hình. Âm bản được dùng để cho khối ánh sáng truyền qua từ nguồn ánh
sáng đến emulsion. Ánh sáng phát ra là do nguyên nhân thay đổi tính
chất hoá học của emulsion. Bức hình được phơi sáng để cho quá trình hoá
học và emulsion được ổn định trên tấm hình.
Có 2 quá trình in thạch bản cơ bản: In thạch bản quang học và X- quang
(X-ray). Từ việc ứng dụng dễ dàng ánh sáng thấy được, là đường dẫn đến
việc giảm đặc trưng về kích thước đã từng tăng lên đối với việc sử dụng
bước sóng ngắn hơn trong kỹ thuật in thạch bản quang học, vì thế làm
tăng mức độ phân giải. Những nguồn sáng như tia tử ngoại
(Ultraviolet-UV) và tia tử ngoại xa (deep ultraviolet - DUV) được ứng
dụng trong gia công laser ở bước sóng 248nm, 193nm hoặc nhỏ hơn. Với
những bước sóng ngắn hơn, những vật liệu quang học và ngay cả năng lượng
hấp thu không khí rất tốt. Vì thế có nhiều vấn đề được bao trùm. So với
kỹ thuật in thạch bản quang phổ, kỹ thuật in thạch bản X-ray cho phép
chế tạo nhữngchi tiết có cấu trúc vi mô và nhiều chi tiết có chiều cao
lớn hơn. Cũng như nhiều bước sóng ngắn hơn ngay cả ánh sáng DUV, X-rays
làm tăng độ phân giải ánh sáng về một phía. Chúng cho phép năng lượng
xuyên thấu mạnh vào trong quang trở và đạt được tỉ lệ cao. Tuy nhiên, sự
cải tiến trong kỹ thuật in thạch bản quang phổ đã từng là tăng cấu trúc
lên 1mm, chiều cao này chỉ bằng bằng so với kỹ thuật in thạch bản X-ray
trong quá khứ.
Trong kỹ thuật in thạch bản quang phổ, bước thứ nhất là tạo một màng
chắn. Nền màng chắn là dạng thuỷ tinh borosilicate hoặc gần đây là
silica nấu chảy mà ở đó nó cho phép hệ số giãn nỡ nhiệt thấp hơn và sự
truyền nhiệt cao ở bước sóng ngắn hơn. Bước tiếp theo bao gồm việc phủ
một lớp chống nứt lên nền của màng chắn. Tiến hành nung để cố định lớp
chống nứt. Trong ngành nhíp ảnh, âm bản được trang trí bằng những hình
ảnh đã được chụp. Còn trong kỹ thuật in thạch bản, nó được hình thành
bằng sự di chuyển một vệt sáng nhỏ qua lớp chống nứt để “vẽ” nên hình
mẫu theomong muốn. Đèn hồ quang thuỷ ngân với năng lượng quang phổ đạt
được ở bước sóng ngắn thường được ứng dụng cho mục đích này. Trong DUV,
lasers đã được ứng dụng trong khi kỹ thuật in thạch bản bức xạ electron
sử dụng nhiều electrons có bước sóng ngắn hơn để tăng độ phân giải. Sau
nay, màng chắn được phát triển và được phủ kim loại Crôm . Crôm điền đầy
vào khoảng trống ở lớp chống nứt đã được đã có và trên đỉnh của chổ
không có lớp chống nứt. Mẫu Crôm được để lại phía sau nề của màng và sau
đó sẽ cạo bỏ lớp chống nứt. Silicon sẽ được sử dùng như lớp nền cho cả
vi- điện và MEMS. Đôi lúc, vật liệu nền Gallium-arsenide cũng được dùng
cho vi-điện.

Công nghệ phay micro.
Công nghệ phay micro là một dạng công nghệ thu nhỏ của công nghệ phay
thông thường mà ở đó được sử dụng dụng cụ cắt gọt nhỏ hơn, cứng hơn hoạt
động ở tốc độ cao được dùng trên máy có nhiều trục. Phay micro có thể
gia công những vật liệu đạt được dung sai rất cao. Chẳng hạn như, máy
phay vi mô Kern có thể sử dụng những lưỡi cắt có đường kính nhỏ 100
micromet, tốc độ 100000 vòng/ phút. Thiết bị máy móc có thể đạt được
dung sai 2 – 4 micromet. Khi tỉ lệ giữa diện tích bề mặt với thể tích
lớn hơn kích thước vi mô, nhiệt phân tán rất nhanh trên vật liệu, dụng
cụ và trên phoi.
Tiết diện mặt cắt ngang lưỡi cắt ở điều kiện gia công vi mô đã chỉ ra
m,ột góc nghiêng âm lớn, với một góc nghiêng thay đổi dọc theo lưỡi cắt
có tính hiệu quả, điều này dẫn đến năng lượng cắt đặc biệt lớn hơn
nhiều. Qui trình mài cuối hầu như gia công trong môi trường khắc nghiệt
so với qui trình gia công vi mô. Trường hợp với một bề rộng nhỏ thì hình
dáng hình học của lưỡi cắt bằng kim cươngthì cứng vững hơn. Ưng suất
nén hầu hết tập trung ở lưỡi cắt của nó. Phay vi mô vẫn được phát triển
như là một qui trình chế tạo vi mô. Nó có tiềm năng đói với việc chế tạo
những chi tiết theo lô với đặc trưng kích thước vi mô, chi phí thấp với
việc quay vòng vốn nhanh so với những qui trình vi gia công khác.
Vi Khoan
Công nghệ vi khoan không chỉ yêu cầu mũi khoan nhỏ mà còn là phương pháp
chuyển động quay tròn chính xác của mũi khoan vi mô và có chu kỳ khoan
rất đặc biệt, được gọi là chu kỳ khoét (peck cycle), điều này giúp cho
quá trình sản xuất những thành lỗ bằng phẳng.
Những mũi khoan vi mô nhỏ nhất (nhỏ hơn 50 mm) là một loại dao lạng mà ở
đó không có đường rãng xoắn ốc, khiến cho phôi thoát ra từ lỗ rất khó
khăn. Mũi khoan với đường kính 50mm hoặc nhỏ hơn có thể chế được chế tạo
như một mũi khoan xoắn.
Có nhiều đặc tính hình dạng hình học quan trong của mũi khoan vi mô dạng
dao lạng. Phần cuối cùng của lưỡi cắt của mũi khoan được gọi là lưỡi
đục thay thế cho một điểm mũi. Điều này tạo thành 2 mặt phẳng giao nhau,
mà ở đó được định nghĩa là 2 lưỡi cắt chính của mũi khoan. Lưỡi đục lấy
vật liệu chủ yếu bằng quá trình cắt và đẩy ra ứng với góc nghiêng âm
cao. Năng lượng cắt đặc biệt dọc theo lưỡi đục thì rất lớn so với lưỡi
cắt chính của mũi khoan.
Do thiếu điểm mũi, mũi khoan có thể trượt trên bề mặt ở vị trí bắt đầu
quá trình khoan, kết quả là mũi khoan dễ gãy hoặc tạo thành một lỗ
nghiêng so với bề mặt chi tiết gia công. Nhược điểm thứ 2 của lưỡi đục
lá quá dài so với đường kính mũi khoan, kết quả là lực đẩy dọc theo
trụcmũi khoan lớn.
Mũi khoan vi mô hầu hết được chế tạo bằng thép cobalt hoặc carbide
tungsten. Mũi khoan thép thì chi phí ít hơn và dễ dàng mài lại nhưng
không cứng và bền bằng những dạng carbide tungsten. Góc ở mũi khoan
(đỉnh) phụ thuộc vào vật liệu chế tạo ra nó. Thông thường góc ở đỉnh là
118 độ, với những vật liệu cứng thì góc ở đỉnh là 135 độ. Mũi khoan vi
mô nên được dùng trong chu kỳ khoét mà ở đó mũi khoan được chuyển động
ra vô nhiều lần trong lỗ đang được khoan. Điều này giúp cho việc làm
sạch phoi ở bên trong lỗ. Dung dịch làm mát cũng gốp phần vào làm sạch
phoi. Lưu chất nên được phun vào ở dạng sương dầu- không khí tốt hơn là ở
dạng ứ đọng.
Hầu hết khi khoan kim loại, tốc độ trục chính nằm trong khoảng từ 2000 –
4000 vòng/ phút trong khi lượng chạy dao là 1 micromet cho mỗi vòng
quay.

Kết luận:
Công nghệ vi gia công là một trong những nhóm công nghệ không truyền
thống hay nói một cách khác đây là những công nghệ gia công hiện dại
nhất. Với những công nghệ nay, chúng co thể gia công những chi tiết có
độ chính xác cao, với những cấu trúc vật thể 3D có kích thước ở cấp độ
vi mô. Với những kích thước này, các công nghệ gia công truyền thống
không thể nao thực hiện được.
Ngày nay, với công nghệ này, chúng được ứng dụng hầu hết trong các lĩnh
vực công nghiệp như là ngành cơ khí chính xác, ứng dụng trong công
nghiệp Ôtô, trong y học, trong những thiết bị cảm biến, điện tử....
Vơí công nghệ vi gia công đem lại năng xuất cao và chi phí giá thành thấp. Vì vậy người ta đã và đang ứng dụng rộng rãi.

BẢN FORMAT, CÓ HÌNH VẼ MINH HỌA : http://www.2shared.com/file/5886073/...CNG_C_BIT.html