Plasmaruiskutus sulautettujen anturien valmistusmenetelmänä

Transkriptio

1 Plasmaruiskutus sulautettujen anturien valmistusmenetelmänä TkT Jukka Paro, VTT KONEPAJAMIES SEMINAARI FINNTEC 2012 MESSUJEN YHTEYDESSÄ HELSINGIN MESSUKESKUKSESSA

2 2 Johdanto Nykyaikaisten koneiden ja rakenteiden turvallisuus- ja tehokkuusvaatimukset ovat korkeat. Koneiden ja rakenteiden toimintaympäristössä, suorituskyvyssä ja turvallisuudessa tapahtuvien muutosten seurannalla pyritään estämään onnettomuudet, välttämään tuotannolliset katkokset, sekä saavuttamaan hyvä hyötysuhde ja tuottavuus. Oikeiden johtopäätösten tekeminen vaatii luotettavaa ja ajantasaista informaatiota, mitä tuotetaan mittausten avulla. Mittausjärjestelmien ja tiedonsiirron kustannukset voivat olla merkittävät varsinkin jos järjestelyt toteutetaan jälkiasennuksena. Jo suunnitteluvaiheessa huomioidut mittaustarpeet voidaan toteuttaa edullisesti ja asentaa mittaukset rakenteisiin ja komponentteihin valmistuksen tai kokoonpanon yhteydessä. Uusi mahdollisuus tähän ovat suoratulostusmenetelmät. Direct Write Thermal Spray (DWTS) on uusi valmistusmenetelmä minkä avulla voidaan eliminoida useita asennuksen työvaiheita, sekä valmistaa anturijärjestelmiä vaativiin olosuhteisiin. VTT on tutkinut menetelmää TEKESin ja yritysten rahoittamassa tutkimushankkeessa.

3 3 Menetelmä Direct Write Thermal Spray eli DWTS on Mesoscribe Ltd:n kaupallistama tuote, mikä perustuu miniatyyri plasmaruiskutukseen. Ruiskutettavat materiaalit voivat olla jauhemaisia metalleja, keraameja tai polymeereja. Lopputuloksena saadaan johteita, eristeitä tai jopa puolijohteita. Menetelmällä voidaan ruiskuttaa elektroniikan rakenteita - kuten antureita, antenneja tai monikerroksisia johdinrakenteita) suorille 2Dtai kaareville 3D-pinnoille. Toiminnalliset komponentit voidaan haluttaessa myös suojata ruiskuttamalla päälle pinnoite. Menetelmässä ei välttämättä tarvita maskia. Ruiskutettavan viivan leveys voi olla materiaalista riippuen 100 µm 3000 µm ja paksuus 10 µm 1 mm.

4 4 Agenda Suunnittelun ja valmistuksen trendejä Direct Write menetelmien taustaa nscrypt Direct Write laitteisto Teknologiaa ja sovelluksia Terminen suoratulostus DWTS (Direct Write Thermal Spraying) Teknologiaa ja sovelluksia

5 5 Suunnittelun ja valmistuksen trendejä Modernien tuotteiden ominaisuuksien trendeinä ovat mm. miniatyrisointi, funktionaalisuuden ja kompaktisuuden lisääntyminen. Tuotteilta odotetaan laatua ja luotettavuutta. Tuotteiden eliniät lyhenevät. Tuotteiden hiilijalanjälkeen sekä ympäristömyöteisyysteen kiinnitetään huomiota. Valmistusmenetelmät ovat kehittyneet, kuten esim. HSM, syvähionta, superplastinen muovaus, ainetta lisäävät valmistusmenetelmät ja pikavalmistustekniikat ja Rapid Prototyping, Direct Writing tekniikat.

6 6 Direct Write menetelmien taustaa Direct Writing ja Direct Printing Tekniikka tai prosessi, jolla lisätä ainetta määrätyn kuvion tai layoutin mukaan 2D tai 3D funktionaalisten rakenteiden valmistukseen soveltuva rekonfiguroituva prosessi Tietokoneohjatusti käytetään funtionaalisen rakenteen tulostuslaitetta (mustesuihku, pastapumppu, laseri, mikroplasmaruisku jne) Suoratulostettavan funtionaalisen piirteen dimensiot mikrometrien osista millimetreihin. Suoratulostettavia materiaaleja ovat metallit, keraamit ja polymeerit, sähköisesti ja optisesti funtionaaliset materiaalit sekä biologiset materiaalit kuten elävät solut Substraatti integroidaan valmiin tuotteen osaksi

7 7

8 8 nscrypt nscrypt teknologia Next generation packaging Electrically functional surfaces Functionalized printing Direct Print fast technique

9 9 nscrypt teknologia The Smart Pump is a precise microdispensing pump Positive pressure pump with a computer controlled needle valve Depending on the pump chosen, the dead volume inside the Smart Pump ranges from 20 picoliter to 100 picoliter Controls starts and stops and material flow for an extreme range of viscosities Dispenses very small volumes of material down to 20 picoliters and a range of viscosities from 1 centipoise to over 1,000,000 centipoise Process: video Smart pump: video 3D forms: video1 & video2

10 10

11 11

12 12

13 13

14 14

15 15

16 16 Kuvioinnit

17 17 Sähköiset laitteet

18 18 3D rakenteet

19 19

20 20

21 21

22 22

23 23

24 24

25 25

26 26

27 27

28 28

29 29 VTT:n DWTS-ruiskutussolu. Mikroplasmaruisku on asennettu suojakaapissa olevaan teollisuusrobottiin. DWTS-solussa pystytään käsittelemään komponentteja jotka mahtuvat solun työalueen (1500 x 1500 x ~500 mm 3) sisälle.

30 30 Case 1. Momentin mittaus VTT on demonstroinut menetelmää ja valmistanut venymäliuskoja momentinmittaukseen dynaamisesti kuormitetulle akselille. Kaksi venymäliuskaa valmistettiin Ø20 mm akselin vastakkaisille puolille. Työ aloitettiin ruiskuttamalla spinellikerros (MgAl 2 O 4 ) akselin pinnalle. Sen päälle ruiskutettiin Ni-20Cr liuska ja kupariset kontaktit johdotukselle. Venymäliuska viimeisteltiin laserkäsittelyllä

31 31 Viimeistelty DWTS-ruiskutettu venymäliuskarakenne akselin pinnalla.

32 32 DWTS-ruiskutettu venymäliuska vääntötestipenkkiin kiinnitetyssä akselissa.

33 33 Case 1. Momentin mittaus Akselia kuormitettiin tykyttävällä momentilla 9000 sykliä ja tulosta verrattiin standardiliuskoilla (HBM 1-XY41-6/350) tehtyihin mittauksiin. Tulokset osoittivat että DWTS-ruiskutetuilla liuskoilla on mahdollista tuottaa kaupallisilla liuskoilla tehtyjen mittausten kanssa hyvin korreloivia tuloksia. Lisäksi prosessiparametrien optimoinnilla voidaan DWTSruiskutettujen liuskojen suorituskykyä edelleen parantaa.

34 34 Case 2. Suoratulostetut termoparit Suoratulostusta on tähän mennessä käytetty eniten termoparien valmistamiseen. Pääasiallisena etuna on että termopari tai niistä muodostettava verkko saadaan helposti haluttuihin ja melko hankaliinkin kohtiin pintaa suhteellisen yksinkertaisesti. Kuvassa 4 on messuille valmistettu demonstraattori, mihin on kaareville pinnoille ruiskutettu K-tyypin termopareja. Myös muut termoparityypit ovat mahdollisia valmistaa.

35 35 Kaareville 3D-pinnoille DWTS:llä ruiskutettu Chromel-Alumel-termoparidemonstraattori. Viivan leveys on noin 2 mm ja sormen leveys noin 25 mm.

36 36 Teknologian hyödyntämismahdollisuudet teollisuudessa DWTS-laitteisto voidaan integroida melko helposti tuotantojärjestelmän osaksi. Vaikka esimerkiksi VTT:n DWTS -solu on toteutettu teollisuusrobotin ympärille, voidaan DWTS -laitteisto rakentaa muitakin tuotantoautomaatiossa käytettyjä ratkaisuja hyödyntäen. DWTS-laitteiston mikroplasmaruiskun liikuttamiseksi voidaan käyttää myös esimerkiksi portaalityöstökonetyyppisiä ratkaisuja. DWTS -laitteistossa käytetään plasman aikaansaamiseksi kaasuina vetyä, argonia ja heliumia sekä virtalähdettä ja jäähdytyslaitteistoa. Lisäksi tarvitaan pölynpoistojärjestelmää ylimääräisen jauhepölyn hallitsemiseksi. Tuotantosoluna voidaan DWTS-solun ajatella muistuttavan termisen ruiskutuksen tai hitsauksen robottisolua kappaleen käsittelyautomaatiosta riippuen.

37 37 Teknologian hyödyntämismahdollisuudet teollisuudessa DWTS-tekniikalla voidaan valmistaa antureita ja johdotuksia sekä muita älyn mahdollistavia toimintoja ja ominaisuuksia suoraan työkappaleen pintaan. Työkappaleen geometrinen muotoilu ei rajoitu ainoastaan älykkäiden piirteiden tasopinnoille sijoitteluun, vaan suunnittelussa ja toteutuksessa voidaan sallia perinteisiä työkappaleen muotoja vapaamuotoisempiakin piirteitä. Monenlaiset kaksoiskaarevat muodot ovat sallittuja, sillä DWTS laitteisto yhdistettynä nykyaikaiseen teollisuusrobottiin tai numeerisesti ohjattuun moniakseliseen työstökoneeseen mahdollistaa varsin vapaan muotoilun. DWTS mikroplasmaruiskun liikeratojen ohjelmointi ja menetelmän suunnittelu tapahtuu CAD/CAM järjestelmien tai robottien ohjelmointityökalujen avulla.

38 38 Teknologian hyödyntämismahdollisuudet teollisuudessa Aistivan komponentin tulostaminen haastaviin olosuhteisiin tarkoitetun komponentin vapaamuotoisille pinnoille on helppoa. Erityisiä pinnanlaatuvaatimuksia ei ole. Anturi voidaan valmistaa suoraan hankalaan olosuhteeseen tarkoitetun työkappaleen pinnalle ja samalla DWTS laitteistolla voidaan ruiskuttaa myös tarvittava johdotus mittausinformaation siirtämiseksi eteenpäin turvallisempaan paikkaan. Jälkikäsittelyä ei myöskään välttämättä tarvita. Tähän mennessä tekniikkaa on testattu pääasiassa termoparien ja venymäliuskojen valmistamisessa erilaisten koneiden komponentteihin.

39

40 40

41 41 VTT - 70 vuotta teknologiaa yhteiskunnan ja elinkeinoelämän hyväksi