微铣削加工相关技术报告
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微铣削加工相关技术报告 本文简介：微铣削加工相关技术报告1.微雷射加工(MicroLaserMachining)一、加工原理如图四所示为一典型雷射加工设备示意图，由其中床台控制X-Y轴之位置，Z轴透镜之升降则可控制其聚焦深度。至于其加工方式概可分为两大类：（一）红外线雷射：将材料表面物质加热汽化（蒸发），以除去材料之加工方式，故称为
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微铣削加工相关技术报告
1.微雷射加工(MicroLaserMachining)
一、加工原理
如图四所示为一典型雷射加工设备示意图，由其中床台控制X-Y轴之位置，Z轴透镜之升降则可控制其聚焦深度。至于其加工方式概可分为两大类：
（一）红外线雷射：将材料表面物质加热汽化（蒸发），以除去材料之加工方式，故称为热加工。
1.CO2雷射（波长10.6μm）
2.Nd：YAG雷射（波长1.064μm）
微雷射加工示意图
（二）紫外线雷射：直接将材料之分子键打断，使分子脱离本体之加工方式，不会产生高热，故习称为冷加工。
1.UV-YAG雷射：系将Nd：YAG雷射经非线性倍频晶体转换为波长532、355、266、213nm的紫外线雷射。
2.准分子雷射(Eximerlaser)
二、特性
不同之雷射加工方式，其所显示之不同技术能力如下：
（一）深径比：
1.CO2雷射：0.4~0.9：1，用于盲孔。
2.UV-YAG：0.25~10：1，通孔、盲孔皆可。
（二）孔径：
1.CO2雷射：150~350μm
2.UV-YAG雷射：25~150μm
（三）加工精度：以圆孔为例
1.CO2雷射：150μm（误差5μm）
2.UV-YAG雷射：25μm（误差2μm）
（四）加工速度：
1.CO2雷射：300孔／min
2.UV-YAG雷射：24000孔／min
（五）适用对象：
如表（一）所示，各种不同之雷射加工方式，各有其不同之适用对象，对精微模具之3D加工而言，以ND：YAG(532nm)较适合。
表（一）不同雷射源适用对象
雷射
工件材质
深径比
最小横向尺寸
结构高度
对应产品
[μm]
[μm]
Nd:YAG(连续波)
不锈钢
>5
30
>150
生物芯片点片针
Nd:YAG(脉冲)
镍钛合金，硅
3-4
40~50
150
网套，植入物，仪器，致动器
Q-switchNd:YAG
董青石cordierite
10
50
500
电路板钻孔
Nd:YAG(532nm)
碳化钨
10
50
400
模仁
准分子雷射
聚碳酸酯polycarbonate
50
2
100
细胞培养器钻孔
雷射微加工实例
·
2.电子束加工(ElectroBeamMachining,简称EBM)
利用电子束来加工，除了焊接之外，还有钻孔及表面处理等，无论那一种都是属于利用高电功来加速电子束的热加工。其中，钻孔加工为将高能量密度的电子束照射在材料上，利用当时所产生的热将材料熔融、蒸发，并加以排除的加工法。这种加工法和其它加工法比，是一种相当优良的高速加工，同时具有高度的控制性及斜孔加工的特征，可望代替现有的钻孔加工，甚至能发展出更新的用途。
利用电子束锧孔，由开始直至钻透为止。如图（六）所示，其中有几个过程存在。同时，电子钻孔法为了获得漂亮的贯穿孔，在工件底下还敷有持定的辅助材料（垫衬）。
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大约10KW/cm的，具有高密度集中能量的电子束照射在工件上开始先将局部熔解。
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塞满蒸发物的空洞愈来愈深，并在其周围产生熔融层。
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电子束贯穿工件，一直到达辅助材料处为止。
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辅助材料于瞬间气化，产生很高的蒸气压，将贯穿孔的蒸发物及熔融层向外部飞散出去以完成钻孔。
为了能正确钻出特定孔径以及深度的孔，通将加速电功设为一定，而调整电子束电流（脉冲电流）以及照射时间。同时，加速度依孔经以及孔深来决定其上限，而孔径、孔深愈增加，加工速度就愈降低。
电子束钻孔的特征
电子束对材料的侵透力强，并富控制性，具有焦点深度深等特性，同时利用加工操控轴移动的自动控制，工以获得如下的优点：
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钻孔非常快（最14000孔／秒）
孔的节距正确，可以获得相当漂亮的孔。
可以钻出斜角度的孔（对工件表面而言，最低可至20度）。
即使是复杂形状的孔也能钻。
几乎所有的材料都能钻孔。
电子束钻孔之应用
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大型微细过滤器
真空滚子
软燥室
工业用微细滤网
此外，使用微细孔滤网的离心分离机、脱水机、自动过滤器、造粒机等都是电子束的用途。以往，孔径0.3mm以下，而且板厚0.5mm以上的滤网是不可能加工的。现在，利用电子束钻孔就可以做到因此，电子束还可望开发更多新的用途。
电子束钻孔过程
3.电射加工（LaserMachining）
雷射加工在国内工业界的应用上已经相当广逤，但使用的范围多限制在以热加工方式的红外线雷射上，本文探讨紫外光雷射冷加工模式的技术，如微细钻孔。
所谓的紫外光指的是波长约分布在150~400奈米之间的光源，目前被使用在工业应用上的紫外光雷射主要有两种，第一种是气态的准分子雷射(ExcimerLaser)另一种是利用Nd:YAG电射的光源经过非线性倍频晶体转换技术(nonlinearcrystalconversion)而将红外光波长转换成紫外光波长。
准分子雷射是利用两种在常态下不起反应的气体，但在激发能会结合成不稳定分子后迅速解离而放出紫外光，取其『exciteddimer』的字面而成之为excimer雷射。一般工业上常用的种类主要包括XeC1(308nm)，KrF(248nm)，ArF(193nm)三种波长的准分子雷射。准分子雷射是一种脉冲式的雷射，每个脉冲所能携带的电子束钻孔加工成品如图（七）所示。能量是目前所有紫外光雷射中最高的。从准分子雷射是一种多模(Multi-mode)的雷射，一般输出的激光束截面积约在数十个平方毫米，因此非常适合利用光罩做投影式的加工(Imageprojectionsystem)方式。
电子束钻孔加工成品
Nd:YAG本身的波长为1064奈米(nanometer)，利用倍频技术可将频率做2倍、3倍、4倍甚至5倍的转换，由于波长和频率成反比，因此分别可得到532、355、266及213奈米的雷射光波长，其中532为绿光，其余的皆为紫外光，一般简称为UVYAG。UVYAG和准分子雷射光的主要别在于倍频技术是相当低效率的能量转换方式，因此每个脉冲的能量通常都在1mJ以下，所能携带的能量相当的低，但由于UVYAG每个脉冲的时间比excimer小一个order（约4~7ns），因此还是有足够高的尖峰脉冲功率来工作，再加上UVYAG的脉冲频率可达到1KHZ以上，因此适合用在单点钻孔(singleholedrilling)或直接刻写(Directwriting)的工作模式上。
紫外光在钻孔上的应用随着电子工业越来越要求微小化的趋势，因其可达10μm直径，1μm精度的钻孔能力而越来越受重视。以目前印刷电路板的钻孔而言，已经有很大的比例由UVYAG的钻孔机来取代，钻孔速度快而精确。另外许多微小的过滤板，医疗用导管上的钻孔等，都必须利用紫光雷射才能达到其要求。
以准分子雷射而言，其最成功的钻孔应用为喷墨头上的喷墨板(inkjetnozzleplate)的喷孔钻孔应用。喷孔的要求要在Polyimide的TAB电路板上钻出300个50μm或更小的微孔，利用准分子雷射的光罩投影式加工可以在12秒内完成一组喷孔片的加工，而且良率可高达98%以上。
准分子电射在Kapton-E上所钻出的喷墨孔
CO2雷射加工与印刷基板
图（八）所示为加工机的概念图以及装置例。由雷射振荡器来的激光束照射在光罩上，藉助控制镜扫描，并利用具有F-☉特性的转映透镜，使投影在印刷基板上，加工出依光罩上孔径所规定的BVH。
钻孔之际，工作台为静止状态，藉由控制镜与f☉透镜进行某一区域的钻孔。所采用的方式是钻完该区域的孔后，再驱动工作口依序加工下一扫描区域的逐步与反复(StepandRepear)的方式，控制扫描的高速化：现在1000孔／秒的系统已经实用化。而且，藉由全像光学系统之采用，可编用4552孔／秒的速度做定形图样的超高速加工。
短脉冲CO2雷射钻孔加工机概念图
BVH多层基板构造例
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4.超精密加工(UltraPrecisionMachining)
（一）加工原理
超精密加工主要系以超精密切削刀具(UltraPrecisionCuttingTool,UPC)来进行切削加工，通常此类目具系以单晶钻石制成，单晶钻石具有高硬度、优越的热扩散性和被切削材之低亲和性，可做成非常锋利之切刃等优可适用于铝、铜等非铁金属或非金属之超精宓切削。至于单晶钻石之加工方法则有研磨、超音波加工、劈切割(Cleaving)、锯切（Sawing）、胴削（Bruting,Girdling）、放电加工及雷射加工等不同方法，其加工原理及应用领域如表（二）所示。
（二）加工设备
目前所使用的超精密加工，主要分为工件旋转的车床型和目具旋转的铣削型，两者基本上都使用气／液静压轴承、线性滑轨来做为旋转部及直线移动部之结柟。并加装雷射干涉或光学尺的测长器，再配合精密控制器及滚珠导螺杆或线性马达等驱动系统，才可成为高精度加工之超精密切削加工机。当然，此类机器要达到其加工精度，必须在防振及温度控制等方面特别加强。加工技术领域之比较如表（二）所示。
表（二）加工技术领域之比较
加工种类
应用领域
微放电加工
1.WEDG：微电极、微目具、微轴、微螺杆、微探针?
2.微孔加工：微喷嘴、滤光板、光罩?
3.MicroMilling：微模具（模穴、模仁、冲头）。
4.微冲压：可整合微冲压模具与冲头成形、微冲压制程于同一机台上。
5.电镀成形：微细喷嘴等管状微结构制作。
微雷射加工
1.微钻孔：印刷电路板（PCB）、滤网、冠状动脉网套?
2.微切割：冠状动脉网套光罩、导线架?
3.微雕刻：医疗器材标记、导线标记?
4.微细加工：3D立体模穴、微轴?
5.微焊接：二极管
超精密加工
1.光电组件：平面透镜、绕射镜片、LCD导光板与菱镜片、光纤连接器、微光栅
2.超精密模具：镜片射出模?
3.精密轴加工：车用传动轴、工具机主轴
4.微细加工：3D立体模穴、微轴?
5.脆性材料加工：磁盘基板加工、晶圆切割?
（三）高速钻削(HighSpeedMilling,简称HSM)
高速铣削是一项倍受瞩目的潜力技术，这项技术从1990年日本理化学研究所发表每分钟超越1000m的切削试验成果以来，即致力于模具生产现场的实用化而一直持续到现在。最近，使用直径0.1mm以下之微小径端铣刀的高速铣削被视为前途看好的加工技术，而且已进入实用化，其切削加工面目前已经达到足以实现Ry1μm以下之高精度化的阶段了。
然而，在提高切削加工之超精密化与微细化方面，还有许多应该解决的问题点，例如具有数μm以下之振动精度的小径端铣刀、在每分钟超过100,000min-1之高速旋转下具有高夹具刚性与振动精度的夹治具系统、以及在综合加工机方面，具有高热位移特性与振动精度等的高速旋转主轴、动作灵敏的高速进刀机构、以及高定位精度等都是被要求的项目。
在应用微小切削刀具于模具部品加工方面，若CNC加工机也能够相对地适度缩小规格的话，将有利于达成包括让进目动作敏捷以及因应热影响等高速与高精度化的目标，因此日本理化学研究所已开发出桌上型高速CNC铣床，图(十)即是理化学研究所使用直径0.6mm之端铣目的微细形状之切削加工实例。这些场合所使用的切削刀具其所要求的是像超硬合金、cBN烧结体、钻石烧结体及单结晶钻石等目具材质，以及目具的最适化设计。
小径端铣刀之微细形状加工例
（四）微型工厂(MicroFactory)
让机械微型化则是近年来全球努力的方向。为了因应环境的变化，使得微型工厂(Microfactory)和狭小部的点检机械手臂等机械的微型化的需求由此而生，不只是这种新的需求，传统的精密机器部品也开始诉求更高精度及更低成本的新制造法。
日本通产省工业技术院机械技术研究院目前开发出的微车床32mm、深25mm、高30.5mm的制品，如图(十一)所示。重量约100g，主轴驱动用马达的额定功率为1.5W，比起平常用的车床，尺寸约为1/50，重量在1/50000以下，额定功率在1/500以下。
它是由主轴驱动组件、X-Y移动组件、刀架等3个组件组成。主轴驱动组件则是早个内径4mm的滚动轴承所支撑主轴和DC微型马达组入谷内后，所形成的构造。加工部品是利用和主轴一起的夹具来夹持，刀具位置是固定的，加工时只需移动加工部品即可。
切削加工实例如图(十二)所示，右侧的黄铜棒其先端直径为100μm。左侧黄铜棒的切削面表面粗度约1.5μm、圆度2.5μm，和普通的车床比较之下，大致都可以得同等的加工精度。相对于普通车床的主轴驱动用马达，其额定功率为1~3KW，本微型车床可以达到1.5W，可以节省很多的能源，而这也是它的优点之一。
微车床之外观
微车床之切削加工实例
四、微型工厂（MicroFactory）（MEL、FANUC集团及其它）
在「小东西让小机械制作」的概念下，通产省的产技策划（产业科学技术研究开发制度）相关部门已着手研究「微型工厂（MicroFactory）」等开发技术，也就是让小型部品或设计，藉由小型生产系统来制作。以现在的生产系统而立，不管尺寸多小的产品，原则上还是由非常大的机械在生产。例如手义、相机等小型精密机器都是由毫米级的部品所构成，可是这些产品却是由公尺级的工作机械制造，生产线的长度竟也长达数十公尺。如果小型产品可以用跟它差不多大尺寸的小型生产系统来制造，不但可以省下很多的能源、空间、资源、设备投资等，而且对于产品种类的变化也有对应的弹性，而这些都是小型生产系统的优点。根据估算，如果将生产机械尺寸缩小为1/100左右。假设在保养品或化妆品店里设置微型化学工厂，就可以立即制作客石所需要的化妆品和医药品，由此可知微型工厂具有很大的弹性，而这也是一般工厂所没有的。
图(十三)为桌上型微型工厂的概念图。它是由三个组件所柟成：以放电或雷射光来进行微细部品加工，简单组立的「加工组立平台」；在系统外则有供给加工部品的「部品供给平台」；以及组立这些部品的精密组立平台，而这些平台皆由外部计算机所控制，系统大小大约是可以摆在桌上的尺寸。
日本工业技术院机械技术研究所已有试作过这样的系统，尺寸为50cm?/span>70cm的桌面，几英吋的车床、铣床、冲压机、搬送手臂、组立装置等所配置的系统。此外，FANUC、SEIKOInstrumentsInc.等机械公司和7家电机公司也共同开发出微型工厂。在长约86cm、宽约1m的桌面，使用7个机械手臂（RobotArm）等超小型机械，制作直径约1cm的小型齿轮箱（GearBox）。图(十四)是机械技术研院所提供的微型工厂照片。
桌上型微型工厂概念图
所提供的微型工厂照片
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结语
生产机械和动力机械的微小化是为了达到省能源、省资源、省空间等。很多微细机械虽然都有被试作过，但几乎都还不能实现实用化，只到用单体的机械来确认动作的阶段。虽然要达到实用化将有更多的问题有待解决，而如何使其运用在实际的系统上，是今后待解决的课题。
在微细机械方面，有尺寸效应等特殊问题，为了能克服这样的问题，有效发展微细机械，微型物理学和微型摩擦学等的基础研究就极为重要。而这些研究仍为起步阶段，无法充分阐释微观世界的现象。我们期待今后的研究能有更进一步的发展，让成果反映在微细机械的设计制作上，也期待能在不久的未来实现微细机械的实用化。