doctechnika wytwarzania i montażu mikrozaworów pneumatycznych
download 
Reklamacja Transkrypt
technika wytwarzania i montażu mikrozaworów pneumatycznych
TECHNOLOGIA I AUTOMATYZACJA MONTAŻU 4/2009 TECHNIKA WYTWARZANIA I MONTAŻU MIKROZAWORÓW PNEUMATYCZNYCH Ryszard DINDORF Rozwój mikrosystemów płynowych związany jest z mikrosystemami elektromechanicznymi MEMS (ang. Micro Electro-Mechanical System). W mikrosystemach płynowych występują mikrosystemy hydrauliczne i pneumatyczne [3]. W mikrosystemach pneumatycznych można wyróżnić zarówno zawory w postaci zminiaturyzowanej o nominalnych średnicach przepływu od 1 do 3 mm, jak i mikrozawory o wymiarach nominalnych od kilku do kilkuset mikrometrów. Miniaturyzacja elementów pneumatycznych prowadzi do budowy zintegrowanych autonomicznych systemów mikropneumatycznych [2]. Przykładowy mikrosystem pneumatyczny przedstawiony na rys. 1 składa się z mikroaktuatora (mikrosiłownika), mikrozaworów i mikroregulatora. Do przesterowania mikrozaworów pneumatycznych stosuje się mikroprzetworniki piezoelektryczne, termiczne, elektrostrykcyjne i elektrostatyczne [6]. Mikroelementy pneumatyczne ze względu na swoje wymiary i masę mają zastosowanie w różnych urządzeniach technicznych, np. w maszynach technologicznych i pomiarowych, pojazdach i maszynach roboczych, manipulatorach i robotach, technice pomiarowej i diagnostyce, technice rakietowej i lotnictwie, technice medycznej i rehabilitacyjnej, przemyśle chemicznym, ochronie środowiska, urządzeniach komunalnych, urządzeniach komputerowych. Mikroelementy pneumatyczne zastępują klasyczne elementy pneumatyczne, które ze względu na swoje wymiary i masę nie mogą być stosowane w zminiaturyzowanych maszynach i urządzeniach. Mikrozawory pneumatyczne mogą być wbudowane do klasycznych elementów pneumatycznych, np. jako elementy sterujące (piloty w pierwszym stopniu sterowania) w zaworach rozdzielających lub w zintegrowanych osiach pneumatycznych. Przykładem powszechnego zastosowania mikrozaworów są poduszki powietrzne (airbag) w pojazdach samochodowych. Europejski program CASEAR (Center of Advanced European Studies and Research) poświęcony został wykorzystaniu zjawiska piezoelektrycznego i magnetostrykcyjnego oraz efektu pamięci kształtu w produkcji mikroelementów płynowych (mikrozaworów, mikropomp). W ofercie firmy HOERBIGER znajdują się piezoelektryczne zawory proporcjonalne typu TECNO zasilane z baterii słonecznych o mocy 0,25 W. Przetworniki piezoelektryczne mogą być budowane w postaci tzw. chipu, który charakteryzuje się wysokim stopniem miniaturyzacji i integracji. Zawory rozdzielające 3/2 z piezochipami charakteryzują się bardzo krótkim czasem przesterowania 2 ms. Do ich przesterowania potrzebna jest energia nie większa od 0,014 mWs, dlatego mogą być zasilane energią słoneczną. W stanie ustalonym przetworniki te nie zużywają energii. Nowa generacja mikrozaworów z piezo- chipem jest kompatybilna z innymi mikrozaworami, ale ich koszt wytwarzania jest mniejszy od typowych mikrozaworów ze sterowaniem piezoelektrycznym. Mikrozawory pneumatyczne mogą być sterowane poprzez system sieci komunikacyjnych CAN (Controller Area Network). Rys. 1. Mikrosystem pneumatyczny: 1 mikroaktuator (mikrosiłownik), 2 – mikrozawory, 3 – mikroregulator [9] METODY WYTWARZANIA MIKROZAWORÓW PNEUMATYCZNYCH Rozwój mikropneumatyki wymusza zastosowanie odpowiednich metod wytwarzania i montażu mikrozaworów pneumatycznych. Mikrozawory pneumatyczne wytwarza się w technologii opartej na krzemie: metodami BM (ang. Bulk Micromachining) i SM (ang. Surface Micromachining) oraz w technice LIGA (niem. Lithographie – Galvanoformung – Abformung), a także metodą AMANDA (niem. Bearbeitungstechniken Abformung, Oberflächenmikromechanik und Membranübertragung) [1]. Przedstawiona zostanie metoda przygotowania form do odlewania ciśnieniowego w technice LIGA [4]. Metody przygotowania form do wytwarzania elementów mikrozaworów: Obróbka mechaniczna [12] Metodą obróbki mechanicznej wykonuje się formy do odlewania ciśnieniowego i wyciskania na gorąco. Obróbka mechaniczna charakteryzuje się dokładnością ok. 1 µm, przez to zapewnia dokładne pasowanie mikroelementów. Metodą tą można wykonać dowolną geometrię powierzchni z dużą dokładnością. Obróbkę mechaniczną wykonuje się na precyzyjnych obrabiarkach sterowanych numerycznie za pomocą mikronarzędzi skrawających wykonanych z diamentu lub węglików spiekanych. W obróbce mechanicznej mikroelementów dominuje frezowanie. Frezami diamentowymi można obrabiać mikroelementy z metali nieżelaznych i stopów metali nieżelaznych, natomiast frezami z węglików spiekanych obrabia się 5 4/2009 TECHNOLOGIA I AUTOMATYZACJA MONTAŻU stale wysokostopowe. Minimalne wymiary obrabianego przedmiotu zależą od wielkości mikronarzędzi stosowanych do jego obróbki. Obróbka mechaniczna umożliwia wielokrotne skrawanie mikroelementów do dowolnych wymiarów i kształtów. Minimalne wielkości mikroelementów wykonane metodą obróbki skrawaniem dla różnych materiałów zestawiono w tabeli 1. Tabela 1. Minimalne wielkości mikroelementów wykonane metodą obróbki skrawaniem dla różnych materiałów Rodzaj obrabianego materiału Stopy metali nieżelaznych Metale nieżelazne Stal stopowa Minimalna szerokość elementu [µm] Maksymalna wysokość elementu [µm] 50 – 300 500 50 – 300 500 ok. 100 200 Obróbka laserowa [10] Lasery są stosowane do wykonania form do wtryskiwania tworzyw sztucznych, odlewania ciśnieniowego i prasowania na gorąco, a także do obróbki wykańczającej oraz wykonania ostrzy narzędzi skrawających. Do wytwarzania form do wyciskania elementów mikrozaworów wykorzystuje się promienie laserowe w zakresie promieniowania podczerwonego i nadfioletowego. Wybór lasera i jego promieniowania zależy od rodzaju obrabianego materiału. Technologia obróbki laserowej wymaga doboru odpowiednich parametrów pracy lasera: długości fali, czasu impulsu oraz gęstości energii. Do wykonania form wykorzystuje się najczęściej lasery Nd (neodymowe) typu YAG-Laser. Dokładność wykonania formy za pomocą obróbki laserowej wynosi ok. 3 µm. Ze względu na bardzo wysoką energię fotonową laser można zastosować do obróbki praktycznie wszystkich materiałów. Dla porównania dokładność pozycjonowania lasera typu YAG wynosi 2 µm, a lasera Eximer-Laser 1 µm. Natomiast chropowatość powierzchni wyrobu wykonanego laserem YAG wynosi Ra = 1 µm, a laserem Eximer-Laser wynosi Ra < 1 µm. W tabeli 2 zestawiono minimalne i maksymalne wymiary mikroform do odlewania i prasowania mikroelementów płynowych, wytwarzane laserami o różnej mocy. Tabela 2. Minimalne i maksymalne wymiary mikroform do odlewania i prasowania mikroelementów płynowych, wytwarzane laserami o różnej mocy Minimalna szerokość elementu [µm] >5 3–4 Maksymalna wysokość elementu [µm] > 150 150 Nd:YAG (100 nm) 10 500 Nd:YAG (532 nm) 10 400 Eximer-Laser (248 nm) 50 100 Rodzaj lasera Nd:YAG (10.6 µm) Nd:YAG (1.064 µm) 6 Metody wytwarzania elementów mikrozaworów: Odlewanie podciśnieniowe [11] W procesie odlewania podciśnieniowego wykorzystuje się tzw. proces wariotermiczny, polegający na podciśnieniowym wypełnianiu formy granulatem z tworzywa sztucznego z mikrocząstkami metalowymi lub ceramicznymi. Granulat po stopieniu na płynną masę wciskany jest do formy pod wpływem wytworzonego podciśnienia. W formie odlewniczej otrzymuje się dokładny kształt mikroelementu. Po schłodzeniu wyroby wyjmowane są z formy ręcznie lub za pomocą mikromanipulatorów. Do odlewania ciśnieniowego stosuje się granulaty z tworzyw sztucznych PIM (ang. Powder Injection Molding), metalu MIM (Metal Injection Molding) i ceramiki CIM (ang. Ceramic Injection Molding). W tabeli 3 zestawiono wymiary charakterystyczne typowych mikroelementów płynowych odlewanych podciśnieniowo. Tabela 3. Wymiary charakterystyczne typowych mikroelementów płynowych odlewanych podciśnieniowo Minimalna szerokość elementu [µm] Maksymalna wysokość elementu [µm] Płytka zaworowa 150 500 Element zaworu 100 200 Rodzaj elementu Wyciskanie na gorąco [8] Wyciskanie na gorąco mikroelementów z folii metalowych lub tworzyw sztucznych przeprowadza się w formach z komorą podciśnieniową. W procesie tym folia podgrzana do temperatury uplastycznienia dokładnie wypełnia formę pod wpływem wytworzonego podciśnienia. Metodą wyciskania na gorąco tworzy się mikroelementy składające się z kilku warstw sprasowanej folii. Wyciśnięte warstwy folii tworzą mikrostrukturę elementów mikrozaworów. Przy pionowym ustawieniu formy i powolnym przebiegu procesu metodą wyciskania na gorąco można wytworzyć mikroelementy o bardzo małym stosunku jego szerokości do wysokości. Do wyciskania na gorąco można stosować tylko materiały o dobrej termoplastyczności. W tabeli 4 przedstawiono wymiary charakterystyczne typowych profili mikroelementów płynowych wytwarzanych metodą wyciskania na gorąco. Tabela 4. Wymiary charakterystyczne typowych profili mikroelementów płynowych wytwarzanych metodą wyciskania na gorąco Rodzaj profilu elementu Kaskadowy Słupkowy Kratowy Minimalna szerokość elementu [µm] Maksymalna wysokość elementu [µm] 2 130 200 500 4 200 TECHNOLOGIA I AUTOMATYZACJA MONTAŻU PROBLEMY MIKROMONTAŻU Tabela 5. Podstawowe czynności mikromontażu [6] Lp. Rodzaj czynności 1. Rozciąganie, rozbijanie 2. Chwytanie podciśnieniowe 3. Klejenie, lutowanie, spajanie 4. Przecinanie, przycinanie 5. Zasysanie, rozbijanie Graficzna interpretacja 4/2009 riałów sypkich, które mają skłonność do przywierania lub wzajemnego łączenia się. W procesie mikromontażu należy zatem wziąć pod uwagę właściwości środowiska: temperaturę, wilgotność i zanieczyszczenia powietrza, a także przenoszone drgania, emitowane fale ultradźwiękowe oraz wytwarzane pole magnetyczne i elekromagnetyczne. Z reguły wymagane są odpowiednie pomieszczenia montażowe z klimatyzacją i filtracją powietrza oraz amortyzacją drgań. Mogą to być zarówno odpowiednio przygotowane pomieszczenia, jak i hermetycznie zamknięte kapsuły podciśnieniowe. Rys. 2. Siły występujące w mikromontażu [6] METODY MIKROMONTAŻU 6. Łączenie, pasowanie 7. Nanoszenie, żłobienie Proces mikromontażu obejmuje wiele czynności polegających m.in. na: chwytaniu, przemieszczaniu, pozycjonowaniu, nastawianiu, zdejmowaniu, ustalaniu, łączeniu i obróbce końcowej. Wyróżnione podstawowe czynności wykonywane podczas mikromontażu zestawiono w tabeli 5. W procesie montażu mikrozaworów musi być rozwiązanych wiele złożonych problemów technicznych dotyczących łączenia mikroelementów o różnej strukturze konstrukcyjnej i materiałowej za pomocą mikronarzędzi i mikrochwytaków przy zastosowaniu mikromanipulatorów i mikrorobotów. Problemy montażu mikrozaworów wynikają z procesu łączenia mikroskopijnych komponentów i towarzyszących temu zjawisk fizycznych. W montażu mikroelementów o wymiarach od kilku do kilkuset mikrometrów oraz o ciężarze od kilku do kilkuset mikrogramów odgrywają dominującą rolę zjawiska powierzchniowe, objętościowe i grawitacyjne. Proces chwytania, manipulacji i montażu mikroelementów utrudniają siły elektrostatyczne, siły van der Waalsa i siły kapilarne, które występują między mikrochwytakiem a mikrooelementem chwytanym (rys. 2). W mikroelementach powstają także niepożądane naprężenia wewnętrzne. Mikroelementy użyte podczas mikromontażu przyrównuje się do ziaren mate- W mikromontażu mikrozaworów pneumatycznych mogą być stosowane różne metody, techniki i urządzenia. Wyróżnione zostały następujące metody mikromontażu zaworów pneumatycznych: Mikromontaż ręczny jest wykonywany przez doświadczonych pracowników pod mikroskopem lub lupą optyczną. Montaż mikroelementów wykonuje się za pomocą różnych mikronarzędzi typu: młoteczki, pincety, chwytaki (patrz rys. 3). Rys. 3. Operator przy mikromontażu [7] Mikromontaż zdalnie sterowany jest wykonywany przez operatora (teleoperatora), który za pomocą joysticka steruje ruchami minimanipulatora w przestrzeni trójwymiarowej (3D). Urządzenie do zdalnego sterowania mikromontażem składa się z urządzenia manipulacyjnego, modułu sterowania, steromikroskopu optycznego lub elektronowego z kamerą CCD (ang. Charge Coupled Device), monitora, systemu pomiarowego oraz systemu wstępnego (pierwszy stopień) i precyzyjnego (drugi stopień) pozycjonowania (rys. 4). 7 4/2009 Rys. 4. Poglądowy schemat stanowiska do zdalnego mikromontażu Mikromontaż automatyczny wykonuje się w systemie modułowym na maszynach typu „Pick-and -Place” z dokładnością 35 40 µm, pod nadzorem systemu optycznego i sensorycznego. Mikromontaż zrobotyzowany wykonuje się za pomocą robotów precyzyjnych i mikrorobotów, np. przy wykorzystaniu precyzyjnego robota przegubowego typu µ-kros uzyskuje się dokładność położenia do 3 µm w zakresie pracy 1 m. Mikromontaż elastyczny czyli mikromontaż w systemie FMMS (ang. Flexible Micromanipulation System) polega na wykorzystaniu elastycznych systemów zrobotyzowanych o dużej dokładności i sprawności manipulacyjnej. PROCES MIKROMONTAŻU MIKROZAWORU FOLIOWEGO W procesie mikromontażu mikrozaworu foliowego stosuje się specjalne techniki łączenia mikroelementów, polegające na ich klejeniu lub zespawaniu techniką laserową. Materiały stosowane do montażu mikrozaworów można podzielić na: tworzywa podkładowe, tworzywa warstwowe i tworzywa łączące. Tworzywa podkładowe powinny charakteryzować się wysoką stałością wymiarową i dużą przewodnością cieplną. Jako tworzywa podkładowe stosuje się krzem (Si), ceramikę (AL2O3) lub stopy metalu (aluminiowo-niklowe). Do izolacji przewodników elektrycznych wykonanych z miedzi (Cu), złota (Au) lub palladu-srebra (AgPd) stosuje się polimery i nieorganiczne dielektryki. Do łączenia mikroelementów stosuje się luty cynowo-ołowiowe (PbSn), srebrno-cynowe (SnAg), cynowo-złote (AuSn) oraz kleje przewodzące ciepło (wypełnione syntetycznym diamentem lub cząstkami 8 TECHNOLOGIA I AUTOMATYZACJA MONTAŻU ceramicznymi) lub przewodzące prąd (wypełnione srebrem). Do zgrzewania tarciowego stosuje się materiały w postaci włókien tasiemkowych lub drucianych ze złota (Au) lub glinu (Al). Przebieg procesu montażu mikrozaworu pneumatycznego przedstawiono na przykładzie bistabilnego (dwupołożeniowego) zaworu foliowego. W tych mikrozaworach folia służy do przesterowania zaworów, zamykania lub otwierania przepływu przez zawór w zależności od kierunku przepływu strumienia powietrza. Folie wykonuje się z walcowanego poliamidu o odpowiednim współczynniku rozszerzalności cieplnej. Do folii przyklejona jest płytka silikonowa, która dzięki swojej elastyczności spełnia rolę elementu zamykającego kanał przepływowy mikrozaworu. Problemy montażu mikrozaworu foliowego związane są z techniką łączenia różnych mikrokomponentów, np. płytki silikonowej do folii, folii do górnego korpusu oraz górnego korpusu do korpusu dolnego. Do łączenia poszczególnych mikroelementów zaworu stosuje się kleje dwukomponentowe na bazie żywic epoksydowych, utwardzalnych w temperaturze 90oC. Żywice te dobrze wypełniają powierzchnie elementów poliamidowych, z których wykonane są folie mikrozaworów. Dla zapewnienia dobrego połączenia sklejanych mikroelementów należy zapewnić stały docisk o sile ok. 200 N. Czas procesu klejenia mikroelementów wynosi ok. 15 minut, ponieważ poszczególne mikroelementy muszą być równomiernie nagrzane, a po sklejeniu schłodzone. Do montażu mikroelementów wykorzystuje się specjalne oprzyrządowanie, np. głowice Saturn lub Apollo [7], które umożliwiają jednoczesny montaż 20 mikrozaworów. Etapy procesu wytwarzania i montażu bistabilnego mikrozaworu foliowego [5]: A. Wykonanie formy korpusu Formę korpusu mikrozaworu wykonuje się z mosiądzu na frezarce precyzyjnej CNC za pomocą frezu palcowego z diamentu o grubości 300 µm, głębokość frezowania 120 µm. Z jednej formy uzyskuje się elementy do 20 mikrozaworów. B. Formowanie Wykonanie korpusu mikrozaworu polega na wyciskaniu na gorąco lub prasowaniu wtryskowemu w formie. Do wyciskania na gorąco mikroelementów zaworu używa się polimerów PMMA (polimetakrylan metylu), a do prasowania wtryskowego używa się polimerów PMMA (polimetakrylan metylu) lub PSU (polisulfon). C. Montaż mikrozaworów I. Pierwsza faza procesu mikromontażu polega na przyklejeniu folii do dolnego korpusu (rys. 5a). Podczas tego procesu podgrzewa się elementy do klejenia, rozprowadza się klej, skleja, utwardza klej i schładza elementy sklejone. II. Druga faza procesu mikromontażu polega na przyklejeniu do folii poliamidowej cienkiej płytki silikonowej o grubości od 20 do 60 µm (rys. 5b). Mocowanie płytki do TECHNOLOGIA I AUTOMATYZACJA MONTAŻU folii odbywa się w piecu próżniowym, następnie płytka jest sprasowywana na odpowiedni wymiar. III. Trzecia faza procesu mikromontażu polega na sklejeniu ze sobą dolnego i górnego korpusu (rys. 5c). Proces ten odbywa się w podobny sposób jak w pierwszej fazie montażu. IV. Czwarta faza procesu mikromontażu polega na przyklejeniu giętkich przewodów wlotowych i wylotowych o średnicy wewnętrznej 100 µm do korpusów zaworu za pomocą kleju utwardzanego pod wpływem promieni świetlnych (o długości fali od 450 do 550 nm) w czasie kilku sekund. 4/2009 pneumatycznych jest zmniejszenie ich wymiarów i masy oraz obniżenie kosztów wytwarzania. W pracy przedstawiono metodę wytwarzania i montażu mikrozaworu pneumatycznego na przykładzie bistabilnego zaworu foliowego. Wskazano na różne problemy związane z procesem wytwarzania i montażu mikrozaworów, które wynikają z konieczności łączenia mikroelementów o mikroskopijnych wymiarach z różnych materiałów. Do wytwarzania mikrozaworów pneumatycznych, metodą wyciskania lub prasowania na gorąco, wykorzystuje się formy z mosiądzu, a do ich montażu stosuje się specjalne techniki klejenia. Mikrozawory pneumatyczne muszą pracować niezawodnie w różnych warunkach przy jednoczesnym utrzymaniu dużej dokładności i sprawność działania. Przy wytwarzaniu mikrozaworów pneumatycznych należy dostosować konstrukcję, użyte materiały oraz technologię wytwarzania i montażu do ich zasady działania, polegającej na dokładnym utrzymaniu parametrów nominalnych. LITERATURA 1. Rys. 5. Etapy procesu montażu mikrozaworu foliowego [5]: a) klejenie folii do górnego korpusu, b) klejenie płytki silikonowej do folii, c) klejenie górnego korpusu do dolnego korpusu, d) widok zaworu po montażu; 1 – komora płynowa, 2 – folia poliamidowa, 3 – komora sterująca, 4 – otwór wylotowy, 5 – otwór wlotowy, 6 – płytka silikonowa PODSUMOWANIE Mikrotechnika jest nowoczesną dziedziną techniki, która rozwija się niezwykle dynamicznie oraz znajduje zastosowanie w wielu obszarach techniki, w tym także w mikrosystemach pneumatycznych. Rozwój mikropneumatyki związany jest z rozwojem współczesnej techniki – robotyzacji i automatyzacji produkcji, motoryzacji, techniki medycznej i rehabilitacyjnej, lotnictwa i astronautyki. Obserwuje się wzrastające zapotrzebowanie na zminiaturyzowane zawory i mikrozawory pneumatyczne, które charakteryzują się małymi wymiarami, zminimalizowanym zużyciem energii, krótkim czasem przesterowania oraz małą przepustowością. Zaletą zastosowania mikrozaworów Baechi A.: Suspension handling system, a micromachined channel network with integrated actuators and sensors. ETH Diss. Shaker Verlag, Basel 2001. 2. Dindorf R.: Zastosowanie mikrozaworów w układach pneumatycznych. Pneumatyka, nr 3, 2002. 3. Dindorf R.: Kierunki rozwoju i zastosowania mikrorobotyki. Pomiary Automatyka Robotyka, nr 10, 2001. 4. Dindorf R.: Methods of manufacture and assembly of fluid microelements. Advances in Manufacturing Science and Technology. Vol. 25, No. 3, 2001. 5. Goll C., Bacher W., Menz W., Schomburg W. K.: Entwicklung, Herstellung und Test von aktiven Mikroventilen für pneumatische Anwendungen. FZKA 5902. TU Karlsruhe, 1999. 6. Fatikow S.: Mikroroboter und Mikromontage. Teubner Verlag. Leipzig, 2000. 7. Effiziente Mikromontage in kleinen Stückzahlen durch Telepräsenz. Newsletter IWB Nr.2, Juni 2004. 8. Heckele M.: Herstellung von Mikrobauteile durch Heissprägen. Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, Karlsruhe, 2001. 9. Messner S.: Elektrostatisch angetriebenes 3/2-WegeMikroventil für pneumatische Anwendungen. Diss. TU Freiburg, 2000. 10. Pfleging W.: Herstellung von Mikrobauteilen durch Lasermikrobearbeitung. Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, Karlsruhe, 2001. 11. Ruprecht R.: Herstellung von Mikrobauteile durch Spritzgiessen. Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, Karlsruhe, 2001. 12. Schaller T.: Herstellung von Mikrobauteile mit Methoden der Mechanischer Mikrotechnik. Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, Karlsruhe, 2001. _______________________ Dr hab. inż. Ryszard Dindorf, prof. nadzw., jest pracownikiem Akademii Górniczo-Hutniczej i Politechniki Świętokrzyskiej, e-mail: [email protected]. 9
