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System No. U0002-3009201613542400
Title (in Chinese) 磨料噴射技術應用於硬脆材料微孔陣列加工之研究
Title (in English) Abrasive jet machining of micro-hole array on brittle materials
Other Title
Institution 淡江大學
Department (in Chinese) 機械與機電工程學系碩士班
Department (in English) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
Other Division
Other Division Name
Other Department/Institution
Academic Year 104
Semester 2
PublicationYear 105
Author's name (in Chinese) 趙曾民
Author's name(in English) Tseng-Min Chao
Student ID 603350082
Degree 碩士
Language Traditional Chinese
Other Language
Date of Oral Defense 2016-07-20
Pagination 96page
Committee Member advisor - Choung-Lii Chao
co-chair - 馬廣仁
co-chair - 陳盈同
co-chair - 趙崇禮
Keyword (inChinese) 磨料噴射加工
SU-8遮罩技術
侵蝕機制
玻璃
微孔加工
Keyword (in English) Abrasive-Jet-machining
SU-8 mask technology
Erosion
Glass
Micro-hole-machining
Other Keywords
Subject
Abstract (in Chinese)
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。
Abstract (in English)
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.
Other Abstract
Table of Content (with Page Number)
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
References
【1】	http://archive.eettaiwan.com/www.eettaiwan.com/ART_8800700878_480702_NT_9c798c8b.HTM,保護玻璃市場成長預測。
【2】	E. J. Weller, “Nontraditional Machining Processes 非傳統加工”pp.43–60(1995).
【3】	H. Wensink, “Fabrication of Microstructures by Powder Blasting” Ph.D. thesis, University of Twente, Enschede The Netherlands. ISBN 90-365-1698-6(2002).
【4】	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).
【5】	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)。
【6】	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).
【7】	http://www.chaoshun.com.tw/chinese/02-2.asp,兆順研磨材有限公司。
【8】	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)。
【9】	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)。

【10】	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).

【11】	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).

【12】	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).

【13】	廖運炫、陳立春,“脆性材料流道孔之雙面噴蝕及其護罩設計之研究”,第四屆磨粒加工技術研討會論文集,pp. 71-80,(2003)。

【14】	D. S. Park, M. W. Cho, H. Lee, W. S. Cho, “Micro-grooving of glass using micro-abrasive jet machining” Journal of Materials Processing Technology. Vol.146, pp.234–240(2004).

【15】	https://www.corning.com/tw/zh_tw.html,台灣康寧顯示玻璃股份有限公司。

【16】	Gersteltec Engineering Solutions, http://www.gersteltec.ch/su-8-Photoresists/.
 
【17】	S. P. Lee, H. W. Kang, S. J. Lee, I. H. Lee, Tae. Jo. Ko, 
D. W. Cho, “Development of rapid mask fabrication technology for micro-abrasive jet machining” Journal of Mechanical Science and Technology. Vol.22, pp.2190–2196(2008).

【18】	G. Liu, Y. Tian, Y. Kan, “Fabrication of high-aspect-ratio microstructures using SU8 photoresist” Microsystem Technologies. Vol.11, pp.343–346(2005).

【19】	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).

【20】	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).

【21】	A. S. Saragih, T. J. Ko, “A thick SU-8 mask for microabrasive jet machining on glass” Int J Adv Manuf Technol. Vol.41, pp.734–740(2009).

【22】	T. Diepold, E. Obermeier, “Smoothing of ultrasonically drilled holes in borosilicate glass by wet chemical etching” J. Micromech. Microeng. Vol.6, pp.29–32(1996).

【23】	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).

【24】	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).

【25】	H. Wensink, M. C. Elwenspoek, “A closer look at the ductile–brittle transition in solid particle erosion” Wear. Vol.253, pp.1035–1043(2002).
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