Ultrazvukové vibrace jsou klíčem k přesnému vrtání do křehkých materiálů, zjistila studie IIT Bombay

Vrtání mikroskopických děr do křehkých materiálů, jako je sklo a keramika, které jsou nezbytné pro smartphony, lékařská zařízení a mikrofluidní čipy, představovalo pro výrobce dlouhou dobu výzvu. Konvenční metody často praskají materiál nebo selhávají, když úlomky ucpávají úzké, hluboké díry. Výzkumníci z Indian Institute of Technology (IIT) v Bombaji prokázali, jak může ultrazvukem podporované elektrochemické obrábění (UA-ECDM) překonat tyto překážky a nabídnout průlom v přesné výrobě.

Studie, kterou vedli profesor Pradeep Dixit a Anurag Shanu z katedry strojního inženýrství IIT Bombay, vysvětluje mechanismus za vynikajícím výkonem UA-ECDM. Na rozdíl od tradičního elektrochemického obrábění (ECDM), které se spoléhá na elektrické výboje v roztoku elektrolytu, UA-ECDM zavádí ultrazvukové vibrace, zvukové vlny mimo lidský sluch, aby se zlepšilo odstraňování nečistot a cirkulace elektrolytu.

Pan Dixit řekl: „Zatímco dřívější studie se zaměřovaly hlavně na experimentální výsledky, jako je hloubka obrábění (hloubka otvoru nebo drážky), nevysvětlily skutečný mechanismus zlepšení výkonu obrábění pomocí ultrazvukových vibrací. Analýzou toku elektrolytu a dynamiky úlomků bychom mohli vysvětlit základní mechanismus a účinek amplitudy vibrací na zlepšení účinnosti odstraňování úlomků.“

Tým přirovnává proces čištění odtoku pomocí pístu. „Představte si, že se malá sklenice pohybuje nahoru a dolů uvnitř větší sklenice naplněné vodou a krystaly cukru. Jak se malá sklenice pohybuje, voda a krystaly se vytlačují a cirkulují. Podobně v UA-ECDM působí ultrazvukové vibrace nástroje silou na elektrolyt v mikroskopickém měřítku. Tento pohyb odstraňuje nečistoty z obráběcí mezery a cirkuluje po úplném odstranění elektrolytu. míchání vedlo k o 33 % vyšší rychlosti odstraňování materiálu ve srovnání s konvenčním přístupem ECDM,“ vysvětlil pan Dixit.

Vědci našli díry s poměrem stran 2,5 (hloubka k průměru), což znamená, že byly 2,5krát hlubší než jejich šířka. Ve srovnání s konvenčním ECDM produkoval UA-ECDM otvory, které byly o 33 % hlubší a měly o 16 % vyšší poměr stran.

Experimentální uspořádání zahrnovalo devět průchozích otvorů ve skleněném substrátu o tloušťce 1,1 mm pomocí nástroje s více hroty. Nástroj vibroval rychlostí 20 kHz (20 000krát za sekundu) se zdvihy 5–10 μm a míchal elektrolyt v mikroskopických otvorech. To zlepšilo cirkulaci tekutiny a zlepšilo odstraňování nečistot o 50 %.

Validace byla provedena pomocí vysokorychlostních kamer a energeticky disperzní spektroskopie (EDS) pro pozorování procesu a analýzu elementárního složení.

Numerické simulace odhalily, že při vyšších amplitudách (kolem 8–10 μm) byly téměř všechny částice trosek odstraněny během několika vibračních cyklů, a to i z hloubek uvnitř mikrootvorů. Při nižších amplitudách úlomky zůstávaly a ucpaly mezeru, zatímco nadměrné míchání při velmi vysokých amplitudách hrozilo poškození nástroje a obrobku. Studie identifikovala optimální amplitudu vibrací pro maximální účinnost.

„UA-ECDM je užitečný všude tam, kde jsou potřebné hluboké a přesné mikroprvky, jako jsou slepé/průchozí otvory/kanály atd., v nevodivých materiálech, jako je sodík, borosilikátové sklo, tavený oxid křemičitý, kompozity na bázi polymerů a oxid hlinitý. Specifické aplikace zahrnují vestavěná integrovaná pasivní zařízení, jako jsou induktory, průchozí prosklené průchody (TGV) a senzory na bázi MEMS 3D aplikace v laboratoři na čipu,“ řekl pan Dixit.

Nejmenší špička nástroje dosažitelná ve studii však byla 150 μm, kvůli omezením při obrábění drátovým elektrickým výbojem (wire-EDM), což omezuje další miniaturizaci.

Tým plánuje rozšířit výzkum na keramiku z oxidu hlinitého, která kombinuje elektrickou izolaci s dobrou tepelnou vodivostí, ale je mnohem hůře zpracovatelná než sklo. Jak materiálové inženýrství posouvá hranice miniaturizace, „Největší pokroky pocházejí z těch nejmenších výkonů, někdy se správným množstvím vibrací,“ dodal pan Dixit.

Zjištění byla zveřejněna v Journal of the Electrochemical Society.