Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu công nghệ chế tạo thước kính bằng quang khắc

Luận văn trình bày chi tiết công nghệ chế tạo thước kính bằng phương pháp quang khắc, từ cơ sở lý thuyết, quy trình công nghệ đến kết quả đạt được.

• Đề tài: Công Nghệ Chế Tạo Thước Kính Bằng Phương Pháp Quang Khắc
• Loại tài liệu: Luận văn
• Chuyên ngành: Công Nghệ Chế Tạo

Tóm tắt

I. Khái niệm và tổng quan về công nghệ quang khắc

Công nghệ quang khắc là phương pháp tiên tiến dùng để chế tạo thước kính với độ chính xác cao. Đây là một quy trình gia công không tiếp xúc, sử dụng các nguồn sáng đặc biệt để khắc các vạch đo trên bề mặt thân thước. Công nghệ này kết hợp giữa quang học, điện tử và cơ khí chính xác, tạo ra những sản phẩm có độ phân giải nhỏ và độ tin cậy cao. Quang khắc cho phép tạo các mẫu với độ phức tạp cao, độ dày lớp kiểm soát chính xác, và bề mặt hoàn thiện tốt. Phương pháp này đặc biệt hữu ích trong sản xuất các thiết bị đo lường dùng trong máy CNC và các hệ thống tự động hóa hiện đại.

1.1. Định nghĩa thước kính quang điện

Thước kính là hệ thống đo lường sử dụng đầu đọc quang điện tử để phát hiện vị trí và dịch chuyển. Nó bao gồm thân thước chứa các vạch đo được khắc bằng công nghệ quang khắc, mặt nạ để lọc ánh sáng, và các linh kiện điện tử để xử lý tín hiệu. Thước kính được ứng dụng rộng rãi trong các máy công cụ CNC, máy đo tọa độ, và các thiết bị kiểm tra kích thước với độ chính xác cao.

1.2. Ứng dụng của thước kính trong công nghiệp hiện đại

Thước kính đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống tự động hóa, đặc biệt là máy CNC 3 trục và 5 trục. Nó cung cấp phản hồi vị trí thực tế cho bộ điều khiển, giúp đảm bảo độ chính xác gia công. Các ứng dụng khác bao gồm máy đo tọa độ, hệ thống robot, và các thiết bị đo lường công nghiệp. Việc nội địa hóa công nghệ chế tạo thước kính giúp giảm chi phí sản xuất và nâng cao khả năng cạnh tranh.

II. Nguyên lý và cơ sở lý thuyết của phương pháp quang khắc

Quang khắc dựa trên nguyên lý thay đổi tính chất của vật liệu cảm quang khi tiếp xúc với ánh sáng có bước sóng và cường độ nhất định. Quy trình bao gồm: phủ lớp cảm quang lên thân thước, chiếu sáng qua mặt nạ có các khe để hình thành hình ảnh, và rửa hoá học để loại bỏ phần vật liệu đã bị chiếu sáng hoặc chưa bị chiếu sáng. Cơ sở lý thuyết cho thấy độ sâu khắc, độ rộng vạch, và chất lượng bề mặt phụ thuộc vào cường độ ánh sáng, thời gian chiếu sáng, và đặc tính của vật liệu cảm quang. Kỹ thuật này cho phép tạo các cấu trúc vi mô với độ chính xác đến vài micromet.

2.1. Cơ chế phản ứng của vật liệu cảm quang

Vật liệu cảm quang dương và cảm quang âm có cơ chế khác nhau. Loại dương hòa tan trong dung môi nhất định sau khi bị chiếu sáng, trong khi loại âm trở nên bất hòa tan. Cấu tạo phân tử của cảm quang thay đổi khi tiếp xúc với bức xạ, tạo ra các liên kết hóa học mới. Quá trình này được kiểm soát chặt chẽ bởi bước sóng ánh sáng, cường độ, và thời gian tiếp xúc để đạt được độ chính xác cần thiết.

2.2. Ảnh hưởng của các thông số công nghệ

Các thông số như cường độ sóng ánh sáng, thời gian chiếu sáng, nhiệt độ, và độ dày lớp cảm quang ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng khắc vạch. Cường độ cao giúp khắc sâu nhưng có thể gây phản xạ ngoài ý muốn. Thời gian chiếu sáng cần cân bằng để đảm bảo độ phân giải tốt và không làm hỏng thân thước. Độ dày lớp cảm quang ảnh hưởng đến độ sâu và chất lượng cạnh của các vạch khắc.

III. Thiết bị và quy trình công nghệ quang khắc

Quy trình chế tạo thước kính bằng quang khắc bao gồm nhiều bước: chuẩn bị thân thước, phủ lớp cảm quang, khắc bằng tia X hoặc chùm điện tử, và xử lý hậu kỳ. Các thiết bị chính bao gồm: máy phủ lớp cảm quang bằng phương pháp quay ly tâm, hệ thống chiếu sáng với đèn汞 UV hoặc laser, máy chụp thu nhỏ để tạo hình ảnh từ mặt nạ, và hệ thống gia công bằng laser femto-second hoặc tia Rontgen. Mặt nạ được tạo từ chất liệu có khả năng chắn sáng tốt như Chromium trên kính quartz. Mỗi bước được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng.

3.1. Các thiết bị chính trong hệ thống quang khắc

Hệ thống quang khắc hiện đại bao gồm: máy PEM800 để chiếu sáng chính xác, thiết bị phủ cảm quang có độ đều cao, hệ thống laser công suất cao, và máy rửa tự động. Các thiết bị này được tích hợp để tạo thành một dây chuyền sản xuất hoàn chỉnh. Việc lựa chọn thiết bị phù hợp ảnh hưởng đến độ chính xác và hiệu suất sản xuất thước kính chất lượng cao.

3.2. Các bước quy trình quang khắc

Quy trình bao gồm: (1) Chuẩn bị bề mặt thân thước; (2) Phủ lớp cảm quang đều theo chiều dày yêu cầu; (3) Tiếp xúc với mặt nạ và chiếu sáng; (4) Xử lý hóa học để khắc; (5) Làm sạch và kiểm tra chất lượng. Mỗi bước yêu cầu điều kiện nhiệt độ, độ ẩm, và thời gian chính xác để đạt được độ phân giải tối ưu và độ bền cao.

IV. Kết quả đạt được và tiềm năng phát triển

Công nghệ quang khắc đã chứng minh khả năng chế tạo thước kính với độ chính xác vượt trội. Các kết quả thực nghiệm cho thấy có thể tạo được vạch khắc với độ phân giải 0.15 micromet và độ sâu khắc kiểm soát chính xác. Bề mặt của thân thước đạt chất lượng cao với độ nhám tối thiểu. Mặt nạ được tạo từ kính Quartz với lớp Chromium bảo vệ cho phép tái sử dụng nhiều lần, giảm chi phí sản xuất. Tiềm năng phát triển bao gồm: ứng dụng công nghệ laser femto-second cho độ chính xác cực cao, phát triển vật liệu cảm quang mới, và tự động hóa toàn bộ quy trình sản xuất để nâng cao năng suất.

4.1. Chỉ tiêu kỹ thuật đạt được

Các sản phẩm thước kính được chế tạo đạt được: độ phân giải 0.15 micromet, sai số kích thước vạch khắc nhỏ hơn ±0.5 micromet, độ sâu khắc từ 1 đến 5 micromet có thể kiểm soát. Bề mặt thân thước có độ nhám Ra dưới 0.4 micromet, đảm bảo độ bền cao và khả năng chịu mài mòn. Mặt nạ được tạo thành công với các khe khắc sắc nét và độ chính xác cao.

4.2. Hướng phát triển tương lai

Các hướng phát triển tiếp theo bao gồm: tăng cường sử dụng laser femto-second và tia Rontgen để đạt độ chính xác cực cao; phát triển vật liệu cảm quang mới với độ nhạy cảm tối ưu; triển khai hệ thống quang khắc tiếp xúc để tăng hiệu suất; nội địa hóa công nghệ cho các đơn vị sản xuất tại Việt Nam. Lâu dài, mục tiêu là thay thế các sản phẩm nhập khẩu bằng sản phẩm trong nước có chất lượng tương đương.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 Jình 1.1 Hình ảnh một số loại thước kính hiện đã có mặt tại Việt nam.2 Máy đo tọa độ của MiRNOoVO. con nnreerorsee 10 HìnhI.3 — Đồ gá có sử dụng 3 thước kính.4 - Sơ đề câu trùc của thước kính.5 - Sơ đồ vị trí tương quan của các cửa số a, b, c, d. 12 Hình L6 Sơ đồ mạch cầu và dang tín hiệu ra của đầu đọc quang học.7 Mach khuyéch đại thuật toán sử đụng dé tao xung.8 Mach nguyên lý chuyển dỗi tín hiệu theo Heidenhain we 18 Hinkh 19 Dang tin hiệu ra của mạch HXOR.10 Nguyên lý ũa bộ đếm thuận nghịch - 20 Hinh 1.1] Phương pháp xác dinh chiều đếm.12 Thước kính với thân thước được gia công bằng máy phay CNC 22 1Hình 1.13 Thân thước kính dược chế lạo bằng cách in mực lên Polyme. Thước kính có độ phân giải 0.15 Mask và các thân thước được chế tạo bằng bộc bay trực tiếp.16 BỀ mặt thân thước kính được ché tao bang photolithography 25 Chương 2 1ình 2.1 ˆ Hình ảnh tông thể quy trình gia công bằng quang khắc.

26 Hình 22 - Bản chất của quá trình quang khắc.3 Quá trình thay đôi cấu tạo phân tử của chất cảm quang dương. 28 Hình 24 - Di phố của đèn Hạ 2 Hình 2.5 Các hệ thống chiêu sáng trong công nghệ quang khắc. 30 Tình 26 ˆ Hình ảnh kho hở g trong hệ thống quang khắc không tiếp xúc — 30 Hình 2.7 _ Phân bố cường đô sóng trên bể mặt chất cảm quang.8 Quy trình công nghệ chế Lạo khuôn với lớp nhũ tương 32 Hình 29 Một số loại dẫu so khuôn Hình 2.10 Sơ đồ máy chụp thu nhỏ Hình 211 Sơ đồ máy chụp lặp.12 Sơ đồ hệ thống gia công mảng AI trên đố thủy tĩnh bằng laser đình 213 Hình ảnh bề mặt mẫu được gia công bằng femto-second laser. Hình 214 Sự phản xạ Lừ khuôn có kop mang Cr.15 Phản ứng nhiệt phân polyvinhil-Fêrôce Hinh 2.16 Quy trỉnh công nghệ quang khắc tiếp xúc.

" Hình 217 Sơ đồ máy phủ lớp cảm quang theo phương pháp quay ly tâm.14 Đổ thị phân bố chiều dầy lớp cảm quang. Hình 210 Cầu tạo khuôn quang khắc bang tia Rontghen "—. Hình 220 Sơ đỗ nguyên lý của hệ thống quang khắc bằng chum diện tử Chương 3 Hình 3.1 Bản vẽ thiết kế của thân thước và mặt nạ với T = 0.2 Hình ánh tổng thể của khuôn lam thân thước va mặt nạ.3 Hình ảnh bê mặt bản in khuôn của thân thước và mặt nạ.4 Kết quả đo khuôn của thân thước và mặt nạ THình 3.5 Các dụng cụ dùng lắm sạch dé Hình 3.6 Quy trỉnh công nghệ làm thân thước vả mặt nạ.7 Thiết bị phủ cắm quang Hình 3.8 Thiết bi chidu sang PEM800 Hình 3.0 1Tình ảnh tổng thể của thân thước và mặt nạ.10 Hinh anh hé mat khuôn Hình 3.11 Hình ảnh bề mặt thân thước.12 Két quả đo kích thước vạch của khuôn (Mask) và thân thước Hình 3.13 Hình ảnh bẻ mặt của thân thước Hình 3.14 Hình ảnh bê mặt mặt nạ tại 4 cửa số.15 Kết quả đo khuôn của thân thước và mặt nạ CHUONG I TONG QUAN VE THUOC KiNH VA CÁC PHƯƠNG PIHIÁP CIIÉ TẠO LƯỚI VẠCII TRÊN TIIÂN THƯỚC 1.1 Tổng quan về thước kính Thước kính là một hệ thống đo sử dụng đầu đọc quang điện tử để đo khoảng dịch chuyển đài của các cơ cấu chấp hành, kết quá do được lưu trữ và hiển thị dưới dạng số. Iliện nay, thước kính rất phong phú và đa đạng câ về mẫu mã và chủng loại.

IHình 1 là hình ảnh thước kính của một số hãng cung cấp hiện đã có mặt tại Việt nam cácL HGẬI thiết Bìbị n2gìa công, công. Cácác cơcơ càsở nghiện nghiên cửcứu trong nướccopie ide che hiện tiếp cận wat với ohvấn để này mới chỉ ở mức độ tìm hiếu, kháo sát. Trong công cuộc Công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, hệ thẳng đo lường địch chuyển là một bộ phận không thể thiếu trong các thiết bị CNC 3 trục, 5 trục, Hiện nay các thiết bị này dang dược nghiên cứu để chế tạo trong niước tại các viện nghiên cứu vả các trường Đại học và có kế hoạch triển khai trong công nghiệp, luận văn nảy sẽ đóng góp một phần cho việc nội địa hóa các thiết bị quan trọng này. Các nguyên lý cơ bản của chuyển đối đo độ dài của các thước đo dịch chuyển độ dài điện tử là: điện cảm, điện dung, quang điện.

Tuy nhiên, các thước đo loại nảy là những sản phẩm tích hợp của nhiều ngành công nghệ cao như cơ khí chính xác, quang học và điện tử lả những lĩnh vực cỏa chưa phát triển đủ mạnh ở nước ta. Véi kha ning biện có, Luận văn đã lựa chọn hướng nghiên cửu là chế tạo thước khắc vạch quang diện từ củ thân thước và mặt nạ được ch tạo bằng phương pháp quang kh ắc. Để hoàn thánh luận an nảy, tôi đã nhận được rất nhiễu sự giúp đỡ của người hướng dẫn khoa học - Tiên sỹ Nguyễn Thị Phương Mi, các thầy cô giáo trong bộ môn Cơ khí Chính xác và Quang học lrưởng Dại học Bách khoa TIả nội và Viện lims Trường ĐIIBK IIà nội. Qua đây cho Udi gửi lời cảm un chan thành đến thây giao hưởng dẫn, các thẩy cô giáo trong bộ môn, các đồng nghiệp và đặc biệt là Tiên sỹ Nguyễn Văn Vĩnh, Kỹ sư Nguyễn Thành Hùng-ÐĐHBK HN, Kỹ sư Nguyễn Văn Toán — Viện Iims đã trực tiếp cùng tôi trong quá trình làm thực nghiệm chế tạo thân thước va phan xử lý tín hiệu đo.

Do kiến thức và thời gian hạn chê nên Luận văn chắc chắn sẽ không trảnh khối các thiếu sói về nhiều mặt. Em rất mong dược sự góp ý của các thầy cô giáo để luận văn được hoàn thiện, có thể giúp ích hiệu quả cho công việc thiết kế, chế tạo và sản xuất thước kính trong điều kiện Việt nam. CHUONG I TONG QUAN VE THUOC KiNH VA CÁC PHƯƠNG PIHIÁP CIIÉ TẠO LƯỚI VẠCII TRÊN TIIÂN THƯỚC 1.1 Tổng quan về thước kính Thước kính là một hệ thống đo sử dụng đầu đọc quang điện tử để đo khoảng dịch chuyển đài của các cơ cấu chấp hành, kết quá do được lưu trữ và hiển thị dưới dạng số. Iliện nay, thước kính rất phong phú và đa đạng câ về mẫu mã và chủng loại.

IHình 1 là hình ảnh thước kính của một số hãng cung cấp hiện đã có mặt tại Việt nam Chương 4 Hình 41 66 Sơ đồ cầu trúc cúa thước kinh theo phương pháp chiếu thuôn. Hình 42 * 67 Sơ đồ mạch điện phát-thu nhận và xứ lý sơ bộ tín hiểu Hinh 4. Dang tín hiệu ra sau khi đã được xử lý sơ bộ. Hình 44 68 Sơ đồ khối của mạch diện thu nhận và xứ lý tín hiệu Hình 4.5 ° 69 Sơ mạch logic xác định chiều dịch chuyển của thân thước chính.

70 Finke So dd mach logic dém 1/4 xung Hinh 4.7 70 bém 1⁄4 xung bằng vi xử lý.8 7 Sơ đồ mạch điện đếm. xung băng phương pháp sử dụng vi xử lý Hinh 4.9 So dé mach dếm xưng bằng cách kết hợp dễm logic và vị xử lý Hinh 4. 74 Sơ đồ ghép nỗi vi xử lý với máy tinh. 75 - Hình ảnh đầu đọc quang điện Hình 412 76 Hình ảnh mạch diễn thu nhận và xử lý sơ bộ tín hiệu.

diình 413 76 Hệ thống mạch thu nhận tín hiệu và đánh giá thước.14 Hị Hình ảnh tin hiệu ra của mạch diện thụ nhận và xử lý thiết kế và chế tạo thử. Ngoài ra, hệ thống đo lường dịch chuyển gòn được sử dung rộng rãi trong Robot và các cơ cấu của thiết bị vì cơ khí MEMS ĐỂ xác định doạn đường (theo tọa độ tuyệt đổi hoặc tương đối) và dim tảo độ chính xác đo lường và điều khiển vị trí, trong cic may do toa d6 CMM. và máy công cu diéu khién sé CNC, hé thdng do dịch chuyển thẳng 1a linh hẳn của hệ thống, Mỗi phương địch chuyển thẳng cần một thước đo với độ phân giải và độ chính xác phủ hợp. Ngoài ra, trong các nghiên cứu khoa học cũng như các thiết bị điều khiển tự động khác có yêu cầu xác định, điều khiển vị trí các vật thể và các hộ phận mảy cũng cần sử dụng các thiết bị do này.

Thực tế thì các may CNC va CMM thường gầm một hệ thống đo với nhiều thước Tuy nhiên giá thành các thước do dé dài hiện còn cao so với nền kinh tế kỹ thuật của nước ta. Diễu này đã hạn chế sự phát triển của các hệ thống đo lường và điều khiến tự động lá một trang 4 lĩnh vực ưu tiên phát triển ở nước ta hiện nay. Trong các máy do toa dé (CMM) va may gia công diều khiển bằng chương trình số (NC) trong công nghiệp chế tạo cơ khí nói chung hiện nay đã dạt độ chính xác gia công đến mierômet và nhỏ hơn nữa, do đó đời hỏi hệ thống đo lường địch chuyển đám bảo độ chỉnh xác điều khiển tương ứng. Ở các nước phát triển, hệ thống đo lường dịch chuyển đo được các trường đại học kết hợp với các viên nghiên cứu, chế tạo dụng cụ đo triển khai vào sẵn phẩm công nghiệp và chế tạo cơ khí từ những năm 90 của thế kỹ trước, điển hình như các hãng Mitutoyo - Nhật bắn, Haidenham, Zaiss - CHLB Due, Fagos — ‘Tay ban nha.

Hiện nay số lượng các thiết bị đang và sẽ sử dung cho nhu cầu tự động hóa ở nước ta rất lớn. Tuy nhiên các hệ thống đo này đều nhập ngoại, giá thành rất cao so với điều kiện kinh tế của nước ta (từ vài chục triệu đến hàng trăm triệu đồng), nên hạn chế việc sử dụng trong điều khiển và tự động hóa CHUONG I TONG QUAN VE THUOC KiNH VA CÁC PHƯƠNG PIHIÁP CIIÉ TẠO LƯỚI VẠCII TRÊN TIIÂN THƯỚC 1.1 Tổng quan về thước kính Thước kính là một hệ thống đo sử dụng đầu đọc quang điện tử để đo khoảng dịch chuyển đài của các cơ cấu chấp hành, kết quá do được lưu trữ và hiển thị dưới dạng số. Iliện nay, thước kính rất phong phú và đa đạng câ về mẫu mã và chủng loại. IHình 1 là hình ảnh thước kính của một số hãng cung cấp hiện đã có mặt tại Việt nam cácL HGẬI thiết Bìbị n2gìa công, công.

Cácác cơcơ càsở nghiện nghiên cửcứu trong nướccopie ide che hiện tiếp cận wat với ohvấn để này mới chỉ ở mức độ tìm hiếu, kháo sát.