玻璃、陶瓷等脆性材料，因為具有高硬度、脆性、耐腐蝕及熔點等，通常被歸類於難以加工的材料。但他們因為優秀的性質在各種領域中被扮演著重要角色而引起了許多關注。而在應用上，通常要在硬脆材料上加工出各種尺寸及形狀的微孔(或是陣列)的微結構特徵。與其他非傳統加工法相比，磨料噴射加工具有成本低、效率高且熱影響區非常有限的優點。然而，伴隨著加工的進行，會產生如測壁錐角以及形狀誤差等的加工結果。透過系統的研究諸如磨料尺寸、噴嘴與工件距離以及複合式加工等，成功的降低了磨料噴射加工的缺點並提高形狀精度，於厚度為0.4mm的玻璃基材上生產出形狀誤差小於0.06mm、側壁錐角於48~50°範圍內的孔洞。

Brittle materials such as glasses, glass ceramics and ceramics are normally categorized as difficult to machine materials for its high hardness, brittleness, corrosion resistance and melting temperature. However, they have attracted much attentions and been playing critical roles in many applications in various areas for their advanced properties. Micro-patterns such as micro-hole (array) of various sizes and shapes are frequently required to be generated on brittle materials. In comparison to other non-traditional machining process, abrasive jet machining has the advantage of low cost and high efficiency and very limited heat affected zone. However, tapering angle and form error are normally the consequences of abrasive jet machining. Efforts have been made to minimize the down side of AJM and improve form accuracy by systematically study the influence of machining parameters such as abrasive grain size, stand-off distance and hybrid machining. Holes with form error less than 0.06 mm, tapering angle in the range of 48~50° are successfully produced on a glass plate of  0.4 mm in thickness..

目錄
淡江大學機械與機電工程學系碩士班	1
目錄	i
圖目錄	vii
表目錄	xi
第一章	緒論	1
1.1	前言	1
1.2	研究動機與目的	2
第二章	理論與文獻回顧	5
2.1	磨料噴射加工	5
2.1.1	基本原理	5
2.1.2	磨料噴射加工法之優缺點比較	7
2.1.3	磨料噴射加工法之改善	7
2.2	遮罩	9
2.3	影響加工成品的因素	11
2.3.1	磨料特性	11
2.3.2	噴流壓力	13
2.3.3	噴嘴與工件距離	15
2.3.4	噴射角度	16
2.3.5	加工時間	19
2.3.6	噴嘴尺寸	19
2.3.7	工件材料	19
第三章	研究規劃與設備	21
3.1	研究規劃	21
3.2	研究方法	22
3.2.1	微影製程(Photolithography光刻微影製程)	23
3.2.2	磨料噴射加工	24
3.3	實驗設備與材料	25
3.3.1	設計圖面	25
3.3.2	磨料噴射加工	26
3.3.3	量測設備	27
3.3.4	材料	30
第四章	結果與討論	33
4.1	磨料噴射基礎實驗	33
4.1.1	不同磨料粒徑之比較	34
4.1.2	加工時間與不同磨料粒徑之比較	37
4.2	磨料噴射加工	40
4.2.1.	微影製程結果	40
4.2.2.	磨料噴射加工基本參數設定	42
4.2.3.	不同加工次數之影響	43
4.2.4.	不同磨料粒徑之影響	51
4.3	複合式磨料噴射加工	63
4.3.1.	複合式磨料噴射加工基本原理	63
4.3.2.	利用不同磨料粒徑產生之加工特性改善加工精度	64
4.4	雙面加工式磨料噴射加工	69
4.4.1.	雙面加工式磨料噴射加工	69
4.4.2.	製作反面乾膜	70
4.4.3.	利用雙面加工式磨料噴射加工改善加工精度	71
第五章	結論	84
附錄一	86
參考文獻	88

 
圖目錄
圖 2 – 1 單一顆粒衝擊產生的侵蝕機制【1】	5
圖 2 – 2 脆性侵蝕移除機制【1】	6
圖 2 – 3 磨料噴射加工中遮罩應用示意圖	6
圖 2 - 4 加工深度和噴嘴與工件之距離之關係【20】	8
圖 2 - 5光阻遮罩製程與AJM應用【4】【13】	10
圖 2 - 6氣體壓力下,磨料質量流動率與氣體流動率的關係【9】	14
圖 2 - 7 凹坑直徑隨噴射壓力變化關係【11】	15
圖 2 - 8 噴嘴與工件距離對加工範圍影響示意圖【12】	16
圖 2 – 9 脆性材料與延性材料在不同角度的侵蝕現象【1】	18
圖 2 - 10玻璃與彈性體遮罩在不同噴射角度之移除率【16】	19
圖 3 – 1 不同加工法之形狀精度示意圖【5】	22
圖 3 – 2 研究流程圖	23
圖 3 - 3 微影製程流程圖	24
圖 3 – 4 光罩設計圖	25
圖 3 – 5 底片成品	26
圖 3 – 6 MB-20V磨料噴射加工機	27
圖 3 – 7 Olympus光學顯微鏡	28
圖 3 – 8 光學投影機	29
圖 3 – 9 Olympus LEXT OLS4100雷射共軛焦顯微鏡	30
圖 3 - 10 乾膜初始的層狀結構	31
圖 3 – 11 白色氧化鋁磨料	32
圖 4 - 1 磨料噴射加工影響區域	34
圖 4 – 2 WA(F)#150:加工時間=60s，最大深度為524.152μm	35
圖 4 – 3 WA(F)#320:加工時間=60s，最大深度為518.565μm	35
圖 4 – 4 WA(F)#150:加工時間=60s，橫截面面積為4127583.730μm2	36
圖 4 – 5 WA(F)#320:加工時間=60s，橫截面面積為2970515.194μm2	36
圖 4 – 6 WA(F)#150:加工時間=120秒，最大深度為802.204μm	37
圖 4 – 7 WA(F)#320:加工時間=120秒，最大深度為833.688μm	37
圖 4 – 8 不同磨料粒徑產生的移除深度與加工時間關係	38
圖 4 – 9 不同磨料粒徑產生的側壁錐角與加工時間關係	39
圖 4 - 10 於玻璃基材上貼膜後成品	41
圖 4 - 11 夾角誤差示意圖【5】	41
圖 4 – 12 掃描路徑示意圖【5】	42
圖 4 – 13 WA(F) #320，設計尺寸0.2 mm圓孔，掃描加工200次	46
圖 4 – 14 WA(F) #320，設計尺寸2.0 mm圓孔，掃描加工200次	47
圖 4 – 15 WA(F) #320 掃描加工40次圓孔各設計孔徑產生之除深度	47

圖 4 – 16 WA(F) #320掃描加工200次，正方形邊長2.0mm之3D視圖	48
圖 4 - 17 WA(F) #320掃描加工200次，正方形邊長2.0mm剖面圖	48
圖 4 - 18 WA(F) #320掃描加工200次，圓形直徑2.0mm之3D視圖	49
圖 4 - 19 WA(F) #320掃描加工200次，圓形直徑2.0mm剖面圖	49
圖 4 – 20 磨料噴射加工誤差示意圖	50
圖 4 – 21 WA(F) #150及 #320，掃描加工40次後圓形設計加工結果	53
圖 4 – 22 WA(F)#150，掃描加工40次，圓形設計尺寸0.2mm剖面圖	54
圖 4 – 23 WA(F)#320，掃描加工40次，圓形設計尺寸0.2mm剖面圖	54
圖 4 – 24 磨料噴射加工於穿孔後，產生的特徵示意圖	57
圖 4 – 25 WA(F)#150掃描加工200次，設計尺寸2.0mm之剖面圖	57
圖 4 – 26 不同設計尺寸及磨料粒徑產生之移除深度	59
圖 4 – 27 不同設計尺寸及磨料粒徑產生之直徑誤差	59
圖 4 – 28 兩種加工參數於不同設計尺寸產生之側壁錐角	60
圖 4 – 29 WA(F)#150，掃描加工200次，設計尺寸為2.0mm	61
圖 4 – 30 WA(F)#320，掃描加工200次，設計尺寸為2.0mm	61
圖 4 - 31 形狀誤差量測方式示意圖	62
圖 4 - 32 掃描加工200次，設計尺寸0.2mm之正方行加工結果	63
圖 4 - 33 雙面加工式磨料噴射加工概念示意圖	70
圖 4 – 34 用於製作反面乾膜之定位點示意圖	71
圖 4 - 35 不同加工法中，設計尺寸2.0mm圓孔之輪廓圖	72
圖 4 – 36 WA(F) #320，設計尺寸2.0mm之圓孔，雙面加工之輪廓	73
圖 4 - 37 雙面加工至穿孔之雷射共軛焦顯微鏡剖面圖及示意圖	74
圖 4 - 38 單面加工至穿孔之雷射共軛焦顯微鏡剖面圖及示意圖	74
圖 4 - 39 利用顯微鏡量測雙面加工破片輪廓	76
圖 4 - 40 利用雷射共軛焦顯微鏡掃描雙面加工120/80次之輪廓	76
圖 4 – 41 利用雷射共軛焦顯微鏡掃描雙面加工160/40次之輪廓	76
圖 4 – 42 利用雷射共軛焦顯微鏡掃描雙面加工200/40次之輪廓	77
圖 4 – 43 WA(F)#150單面及雙面加工輪廓示意圖	78
圖 4 – 44 WA(F)#150雙面加工輪廓量測示意圖	78

 
表目錄
表 2 - 1微粉粒度及顆粒尺寸參照表【10】	13
表 3 - 1 微影製程流程	31
表 4 – 1 不同氧化鋁磨料粒徑與加工時間參數	34
表 4 – 2 不同磨料粒徑加工60秒之移除深度與側壁錐角	36
表 4 – 3 WA(F)#150及#320不同加工時間之移除深度與側壁錐角	38
表 4 - 4 設計尺寸與實品量測直徑及四邊形之圓角	42
表 4 – 5 磨料噴射加工基本參數設定	42
表 4 – 6 WA(F)#320圓孔之移除深度與加工次數關係	46
表 4 – 7 WA(F)#320正四方形孔移除深度與加工次數之關係	47
表 4 – 8 WA(F)#320圓孔孔徑誤差與加工次數之關係	50
表 4 – 9 WA(F)#320方孔孔徑誤差與加工次數之關係	51
表 4 – 10 兩種磨料粒徑於掃描加工40次後，設計圓孔加工結果	54
表 4 – 11 兩種磨料粒徑於掃描加工120次後，設計圓孔加工結果	55
表 4 - 12 兩種磨料粒徑於掃描加工200次後，設計圓孔加工結果	56
表 4 – 13 WA(F)#150於掃描加工200次後，產生之穿孔底面直徑	56
表 4 – 14 兩種加工參數產生的移除深度與設計尺寸對照表	59
表 4 – 15 兩種粒徑磨料掃描加工200次，正方形圓角及形狀誤差	63
表 4 - 16 兩種磨料於相同加工條件下之比較	64
表 4 - 17 正方形設計，設計尺寸2.0mm之加工結果	65
表 4 - 18 複合式(120/80)與單一磨料噴射加工之結果比較	66
表 4 - 19 複合式(160/40)與單一磨料噴射加工之結果比較	67
表 4 - 20 兩種複合式(160/40及160/80)磨料噴射加工之結果比較	68
表 4 – 21 WA(F) #320，圓形設計，掃描加工120次之量測結果	72
表 4 – 22 WA(F) #320，雙面掃描加工中圓形設計穿孔之內縮孔徑	75
表 4 – 23 WA(F) #150於三種雙面加工產及單面加工之加工結果	77
表 4 - 24 WA(F) #150，單/雙面加工已形成穿孔之結果	79
表 4 - 25 WA(F) #150，單/雙面加工已形成穿孔之結果誤差百分比	80
表 4 - 26 WA(F) #150，單/雙面加工已形成穿孔之結果誤差百分比	82

【1】	Henk. Wensink, “Fabrication of Microstructures by Powder Blasting” Ph.D. thesis, University of Twente, Enschede The Netherlands. ISBN 90-365-1698-6(2002).
【2】	A. Sayah, V. K. Parashar, A. -G. Pawlowski, M. A. M. Gijs, “Elastomer mask for powder blasting microfabrication” Sensors and Actuators A. Vol.125, pp.84–90(2005).
【3】	Dong-Sam. Park, Myeong-Woo. Cho, Honghee. Lee, Won-Seung.  Cho, “Micro-grooving of glass using micro-abrasive jet machining” Journal of Materials Processing Technology. Vol.146, pp.234–240(2004).
【4】	M. Achtsnick, J. Drabbe, A.M. Hoogstrate, B. Karpuschewski, “Erosion behaviour and pattern transfer accuracy of protecting masks for micro-abrasive blasting” Journal of Materials Processing Technology. Vol.149, pp.43–49(2004)
【5】	趙曾民，“磨料噴射技術應用於硬脆材料微孔陣列加工之研究”，淡江大學機械與機電工程學系碩士論文(2016)
【6】	紀厚任，“磨粒流噴射加工脆性材料之研究”，淡江大學機械與機電工程學系碩士論文(2012)。
【7】	M. Wakuda, Y. Yamauchi, S. Kanzaki, “Material response to particle impact during abrasive jet machining of alumina ceramics” Journal of Materials Processing Technology. Vol.132, pp.177–183(2003).
【8】	A. A. Khan, M. M. Haque, “Performance of different abrasive materials during abrasive water jet machining of glass”,Journal of Materials Processing Technology Vol.191, pp.404–407(2007).
【9】	E. J. Weller, “Nontraditional Machining Processes 非傳統加工”p.43–60(1995).
【10】	http://www.chaoshun.com.tw/chinese/02-2.asp,兆順研磨材有限公司
【11】	王家明，“微细磨粒噴射加工的機理及其實驗研究”，南京航空航天大學碩士學位論文(2011)。
【12】	官君宇，“磨料噴射技術應用於精微拋光之研究”，國立中央大學碩士論文(2006)。
【13】	D. S. Park, M. W. Cho, T. I. Seo, “Mechanical etching of micro pockets by powder blasting” Int J Adv Manuf Technol. Vol.25, pp.1098–1104(2005).
【14】	H. Wensink; J. W. Berenschot; H. V. Jansen, M. C. Elwenspoek, “High Resolution Powder Blast Micromachining” The Thirteenth Annual International Conference. 0-7803-5273-4 MEMS, pp.769-774(2000).
【15】	H. Wensink, M. C. Elwenspoek, “A closer look at the ductile–brittle transition in solid particle erosion” Wear. Vol.253, pp.1035–1043(2002).
【16】	P. J. Slikkerveer, P. C. P. Bouten, F. C. M. de Haas, “High quality mechanical etching of brittle materials by powder blasting” Sensors and Actuators. Vol.85, pp.296–303	(2000)
【17】	D. S. Park, M. W. Cho, H. Lee, “Effects of the impact angle variations on the erosion rate of glass in powder blasting process” Int J Adv Manuf Technol Vol.23, pp.444–450(2004).
【18】	M. Wakuda, Y. Yamauchi, S. Kanzaki, “Effect of workpiece properties on machinability in abrasive jet machining of ceramic materials” Precision Engineering. Vol.26, pp.193–198(2002).
【19】	Mitsubishi Paper Mills Limited,https://www.mpm.co.jp/eng/
【20】	Kumar Abhishek ,Somashekhar S Hiremath ,“Improvement of Geometrical Accuracy of Micro Holes Machined Through Micro Abrasive Jet Machining” ScienceDirect. Procedia CIRP 46 ( 2016 ) 47 – 50
【21】	G. Liu, Y. Tian, Y. Kan, “Fabrication of high-aspect-ratio microstructures using SU8 photoresist” Microsystem Technologies. Vol.11, pp.343–346(2005)
 
【22】	R.H.M. Jafar , V. Hadavi , J.K. Spelt , M. Papini, “Dust reduction in abrasive jet micro-machining using liquid films” Powder Technology 301 (2016) 1270–1274
【23】	台灣康寧顯示玻璃股份有限公司, “https://www.corning.com/tw/zh_tw.html”。