系統識別號 | U0002-3009201613542400 |
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DOI | 10.6846/TKU.2016.01100 |
論文名稱(中文) | 磨料噴射技術應用於硬脆材料微孔陣列加工之研究 |
論文名稱(英文) | Abrasive jet machining of micro-hole array on brittle materials |
第三語言論文名稱 | |
校院名稱 | 淡江大學 |
系所名稱(中文) | 機械與機電工程學系碩士班 |
系所名稱(英文) | Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering |
外國學位學校名稱 | |
外國學位學院名稱 | |
外國學位研究所名稱 | |
學年度 | 104 |
學期 | 2 |
出版年 | 105 |
研究生(中文) | 趙曾民 |
研究生(英文) | Tseng-Min Chao |
學號 | 603350082 |
學位類別 | 碩士 |
語言別 | 繁體中文 |
第二語言別 | |
口試日期 | 2016-07-20 |
論文頁數 | 96頁 |
口試委員 |
指導教授
-
趙崇禮
委員 - 馬廣仁 委員 - 陳盈同 委員 - 趙崇禮 |
關鍵字(中) |
磨料噴射加工 SU-8遮罩技術 侵蝕機制 玻璃 微孔加工 |
關鍵字(英) |
Abrasive-Jet-machining SU-8 mask technology Erosion Glass Micro-hole-machining |
第三語言關鍵字 | |
學科別分類 | |
中文摘要 |
脆性材料如玻璃、矽、碳化矽通常被歸類為難加工材料,因為此類材料具有極高的硬度與脆性。然而由於它們具有優越的物理、光學、電子性質,因此越來越受到關注,並在各種科學、機械應用中一直扮演著重要的角色。具有各種尺寸與形狀微孔(陣列)之微圖形經常被要求在脆性材料上產生。許多學者嘗試了許多方式如雷射剝蝕、超音波加工、迴轉式超音波加工…來在脆性材料上產生微孔。本研究將應用磨料噴射加工在玻璃上製造陣列微孔。進行實驗以調查顆粒尺寸、噴嘴與工件距離、壓力、掃描速率對移除率與孔洞成形精度的影響。實驗成功在0.4mm厚的玻璃板上製作出各種形狀、特徵尺寸0.2mm至2mm的微孔。 |
英文摘要 |
Brittle materials such as glasses, silicon, silicon carbide are normally categorized as difficult to machine materials for its high hardness and brittleness s. However, they have attracted more and more attentions and been playing critical roles in many scientific/engineering applications for their advanced physic/optical/electronic properties. Micro-patterns such as micro-hole (array) of various sizes and shapes are frequently required to be generated on brittle materials. Many researchers have tried different approaches such as laser ablation, ultrasonic machining, rotary ultrasonic machining…. to produce micro-hole in brittle materials. This research applied abrasive jet machining to fabricate micro-hole array on glass. Efforts have been made to investigated the effect of grit-size, stand-off distance, pressure, scanning speed on the material removal rate and the obtained hole accuracy. Micro-holes of various shapes and with characteristic dimension ranged from 0.2mm to 2mm are successfully produced in glass plate of 0.4mm thickness. |
第三語言摘要 | |
論文目次 |
誌謝 I 中文摘要 III 英文摘要 IV 目錄 VI 圖目錄 VIII 表目錄 XI 第一章 緒論 1 1-1 前言 1 1-2動機與目的 2 第二章 文獻與理論回顧 5 2-1 磨料噴射加工 5 2-1-1 基本原理 5 2-2 影響加工結果的因素 8 2-2-1 磨料種類的影響 9 2-2-2 噴射壓力的影響 11 2-2-3噴嘴與工件距離的影響 13 2-2-4噴射角度的影響 14 2-2-5加工時間的影響 16 2-2-6噴嘴尺寸的影響 17 2-2-7工件材料的影響 17 2-3.遮罩材料 18 第三章 實驗規劃與設備 21 3-1 實驗設計 21 3-2 實驗設備 22 3-2-1微影製程實驗設備 22 3-2-2 磨料噴射實驗設備 26 3-2-3實驗材料 27 3-2-4量測設備 30 3-3實驗流程規劃 34 第四章 結果與討論 38 4-1 磨料噴射基礎實驗 38 4-1-1不同噴射壓力與時間加工實驗 38 4-1-2不同噴嘴與工件距離加工實驗 42 4-2磨料噴射微孔加工 50 4-2-1黃光微影製程加工結果 50 4-2-2磨料噴射加工掃描路徑與速率之設定 56 4-2-3磨料噴射掃描加工之結果 57 4-2-4不同孔洞夾角之差異 62 4-2-5掃描次數對加工之影響 68 4-2-6掃描速率對加工之影響 72 4-2-7磨料顆粒尺寸對加工之影響 75 4-2-8孔洞間距對加工之影響 78 4-2-9粗細顆粒複合噴射加工 84 第五章 結論 89 附錄一 91 參考文獻 94 圖目錄 圖1- 1 2012到2018年保護玻璃面積需求量預測(單位:m2)【1】 1 圖1- 2四種非傳統加工示意圖(a)蝕刻法示意圖(b)雷射加工示意圖(c)超音波加工示意圖(d)磨料噴射加工示意圖【2】 2 圖2- 1單一顆粒衝擊產生的侵蝕機制【3】 6 圖2- 2脆性侵蝕移除機制【3】 6 圖2- 3磨料噴射加工中遮罩應用示意圖【4】 7 圖2- 4在一定的氣體壓力下,磨料質量流動率與氣體流動率的關係【2】 11 圖2- 5凹坑直徑隨噴射壓力變化關係【8】 12 圖2- 6噴嘴與工件距離對加工範圍影響示意圖【9】 14 圖2- 7脆性材料與延性材料在不同角度的侵蝕現象【3】 15 圖2- 8玻璃與彈性體遮罩在不同噴射角度之移除率【24】 16 圖2- 9不同的材料與磨料進行AJM加工後之材料移除率【11】 18 圖2- 10光阻遮罩製程與AJM應用【14】 20 圖3- 1超音波震洗機 22 圖3- 2加熱平台 23 圖3- 3旋轉塗佈機 24 圖3- 4光罩對準曝光機 25 圖3- 5 RER-600顯影液 26 圖3- 6 MB-20V磨料噴射加工機 27 圖3- 7 SU-8 GM1075負光阻膠 28 圖3- 8白色氧化鋁磨料 29 圖3- 9Olympus光學顯微鏡 31 圖3- 10光學投影機 32 圖3- 11 Olympus LEXT OLS4100雷射共軛焦顯微鏡 33 圖3- 12實驗流程圖 34 圖3- 13光罩設計圖 36 圖3- 14光罩成品 36 圖3- 15磨料噴射加工SU-8/玻璃試片示意圖 37 圖4-1磨料噴射實驗加工後結果示意圖 40 圖4-2 磨料噴射實驗加工後Confocal量測斷面圖(壓力0.5MPa、噴嘴與工件距離35mm、噴射時間80s) 41 圖4-3加工深度隨著壓力變化關係圖距離 41 圖4-4加工深度隨噴射時間變化關係圖 42 圖4-5不同噴嘴與工件距離磨料噴射加工實驗 46 圖4-6加工深度隨噴嘴與工件距離變化關係圖 46 圖4-7不同噴嘴與工件距離加工後之輪廓比較(壓力0.4MPa,噴射時間40s) 47 圖4-8不同噴嘴與工件距離加工輪廓中心區域放大比較圖 48 圖4-9不同噴嘴與工件距離加工後頂部寬度 49 圖4-10不同噴嘴與工件距離加工下移除之體積 49 圖4-11微影製程完成試片示意圖 51 圖4-12夾角成形誤差值示意圖 51 圖4-13光罩圖形OM觀察 53 圖4-14微影製程SU-8遮罩圖形轉印OM觀察 55 圖4-15掃描路徑示意圖 57 圖4-16 使用WA #320、噴嘴與工件距離50mm、壓力0.5MPa下加工40秒後載玻片之斷面輪廓 57 圖4-17掃描加工160次後結果:加工參數:WA320(31-26μm)顆粒, 58 圖4-18掃描加工160次後圓形孔洞OM圖:加工參數:WA320(31-26μm)顆粒,壓力0.5MPa,噴嘴與工件距離50mm,掃描速率16.7mm/s 60 圖4-19直徑2.0mm(a)之孔洞斷面圖,側壁錐度為61.3˚ 61 圖4-20直徑0.2mm(j)之孔洞斷面圖,深度為0.295mm, 61 圖4-21掃描加工160次不同圖形夾角之OM圖: 63 圖4-22夾角錐度量測示意圖 64 圖4-23邊長0.4mm與0.2mm之三角形掃描加工160次之結果 66 圖4-24 邊長0.2mm之正方形掃描加工160次之結果 67 圖4-25直徑2.0mm之圓孔不同加工次數之OM圖 69 圖4-26不同掃描次數對圓孔直徑之影響 70 圖4-27不同掃描次數對圓孔深度之影響 70 圖4-28掃描次數對不同夾角誤差值影響 71 圖4-29掃描次數對不同夾角側壁錐度之影響 71 圖4-30 掃描速率對圓孔尺寸之影響 73 圖4-31 使用WA #400加工(a)240次與(b)200次之OM圖 76 圖4-32 圓形孔洞間距加工結果:加工參數: WA320(31-26μm)顆粒,壓力0.5MPa,噴嘴與工件距離50mm,掃描速率16.7mm/s,掃描次數160次 79 圖4-33 三角形孔洞間距加工結果:加工參數:WA320(31-26μm)顆粒,壓力0.5MPa,噴嘴與工件距離50mm,掃描速率16.7mm/s,掃描次數160次 79 圖4-34加工後間距受到侵蝕而消失 80 圖4-35加工後間距Confocal量測之斷面圖 80 圖4-36粗顆粒掃描加工120次後之結果,孔洞深度310.888μm 85 圖4-37三種方式加工後邊角成形示意圖, 87 圖4-38三種方式加工後30˚角成形結果, 87 圖4-39三種方式加工後120˚角成形結果, 87 表目錄 表2- 1微粉粒度及顆粒尺寸參照表【7】 10 表3- 1加熱平台 23 表3- 2Corning SGW3玻璃之機械性能【15】 30 表3- 3微影製程加工參數表 37 表4-1不同壓力磨料噴射加工參數 40 表4-2不同時間磨料噴射加工參數 41 表4-3不同噴嘴與工件距離磨料噴射加工參數 44 表4-4 光罩圖形量測結果 53 表4-5光罩圖形夾角量測結果 54 表4-6 SU-8遮罩圖形尺寸轉印結果 55 表4-7 SU-8遮罩圖形夾角轉印結果 56 表4-8掃描160次圓形孔洞之入口與出口尺寸 61 表4-9掃描加工160次不同圖形夾角R值與誤差值 63 表4-10掃描加工160次後不同圖形夾角之側壁錐度 65 表4-11掃描加工160次後三角形孔洞結果 66 表4-12掃描加工160次後正方形孔洞結果 67 表4-13掃描加工160次後六角形孔洞結果 68 表4-14不同掃描次數之實驗參數 69 表4-15不同掃描次數加工直徑2.0mm圓孔結果 69 表4-16不同掃描速率加工實驗參數 72 表4-17不同掃描速率加工直徑2.0mm圓孔結果 73 表4-18 掃描速率對圓孔側壁錐度之影響 74 表4-19 兩種掃描速率加工不同夾角之誤差值 75 表4-20 兩種掃描速率加工不同夾角之側邊錐度 75 表4-21 不同尺寸磨料顆粒加工參數 76 表4-22兩種磨料顆粒加工直徑2.0mm圓孔之結果 77 表4-23兩種磨料顆粒對不同夾角加工之結果 78 表4-24兩種磨料顆粒加工後之表面粗糙度 78 表4-25 三角形與圓形孔洞加工結果:加工參數:WA320(31-26μm)顆粒,壓力0.5MPa,噴嘴與工件距離50mm,掃描速率16.7mm/s,掃描次數160次 81 表4-26圓形孔洞不同掃描次數結果:加工參數:WA320(31-26μm)顆粒,壓力0.5MPa,噴嘴與工件距離50mm,掃描速率16.7mm/s 82 表4-27圓形孔洞不同掃描速率結果:加工參數:WA320(31-26μm)顆粒,壓力0.5MPa,噴嘴與工件距離50mm,掃描次數200 83 表4-28圓形孔洞使用不同磨料顆粒加工結果:加工參數:壓力0.5MPa,噴嘴與工件距離50mm,速率16.7mm/s,掃描次數200 83 表4-29粗細顆粒複合噴射加工參數 84 表4-30粗顆粒、細顆粒與複合磨料加工直徑2.0mm圓孔之結果 85 表4-31粗顆粒、細顆粒與複合磨料加工對不同夾角加工之結果 88 表4-32粗顆粒、細顆粒與複合磨料加工後之表面粗糙度 88 |
參考文獻 |
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