РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ (РТК) ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
Современное состояние развитияэлектрофизических методов обработки и возможность их роботизации
В настоящее время естьперспективы и настоятельная необходимость широкого внедрения методов упрочнениядеталей за счет нанесения плазменно-ионных покрытий, ионного легирования,лазерной закалки и модификации, а также комбинированных технологий упрочнения.Все это обусловлено тем, что запасы легирующих элементов вольфрама, хрома,никеля и других металлов практически иссякли во всех странах (исключениесоставляет Китай, где вольфрам добывается в огромных количествах), поэтомулегирование всего объема конструкции материала тем или иным элементомстановится все более проблематичным, что требует использования методовупрочнения поверхностных слоев за счет концентрации легирующих элементов в немили изменения фазового или кристаллического состояния поверхностного слоя засчет химико-термической обработки.
Все перечисленные электрофизическиеметоды обработки используются для обеспечения требуемых характеристик инуждаются в роботизации и автоматизации. В то же время для применения рядаметаллических покрытий и химических элементов в обработке необходимо вывестиручной труд из зоны обработки (по требованиям охраны труда). Это позволяетутверждать, что роботизация электрофизических технологий является важной исвоевременной задачей.
При нанесении покрытий,ионно-лучевой, светолучевой, электротермической и других методах обработки детальили напыляющая головка (имплантер, лазер) для получения высококачественныхдеталей подвергаются сложным манипуляционным движениям. Дальнейшее повышениекачества обрабатываемых деталей не возможно без использования комплекснороботизированных установок: для нанесения покрытий (на плоские детали и стекла,диэлектрические детали, детали машиностроения); объемной термической обработки:установок термомеханической и термоциклической обработки; установок цементациии азотирования, установок диффузионного насыщения, установок нанесения покрытийиз парогазовой смеси, газового хромирования, светолучевой, электроннолучевойобработок.
Для реализациипрактически всех технологий показана возможность создания гибкихпроизводственных робототехнических комплексов. Даны примеры типовой компоновкигибких технологических робототехнических комплексов для электрофизической обработки, включающих подготовительные технологическиеоперации. Роботизированные установки для напыления тонкослойныхпокрытий на поверхность листового материала
Установки представляютсобой герметичную камеру из нержавеющей стали, внутри которой с помощьювакуумной системы и системы напуска газа создается разреженная газовая средаопределенного состава при давлении 10-2¼10-1 Па. В камеру помещенымагнетронные распылительные системы, представляющие собой диод с аномальнымтлеющим разрядом в скрещенных электрическом и магнитном полях. Плазма благодарямагнитному полю генерируется преимущественно вблизи катода и распыляет его.Образующиеся частицы осаждаются на обрабатываемой поверхности, создаваямодифицирующее покрытие. Плазма может быть химически активной, и тогда в нейможно получать оксиды, нитриды и другие соединения металлов с газами. Этопозволяет существенно расширить состав наносимых покрытий. Установкиадаптированы применительно к определенным технологическим процессам иизготовлены в разных вариантах, например: проекты «Аметист», «Аметист-3»,«Яшма», «Изумруд», «Опал».
Преимущества магнетронныхсистем следующие:
– хорошая адгезияосаждаемых слоев по отношению к поверхности твердого тела;
– широкий спектросаждаемых материалов;
– возможность осаждениямногослойных покрытий;
– высокаяпространственная однородность покрытий;
– большие размеры обрабатываемыхобразцов;
– широкий кругматериалов, на которые могут быть осаждены модифицирующие покрытия;
– отсутствие высокихтемператур на обрабатываемой поверхности.
К недостаткам относятся:
– ограничения поосаждению магнитных материалов;
– весьма сложная системауправления.
Проект «АМЕТИСТ»
Установкапредназначена для тонирования листового стекла и изготовления зеркал.Отличительная особенность состоит в том, что она снабжена стационарнымираспылительными системами, вертикально расположенными в центре камеры, а такжеобеспечена возможность сканирования листов относительно неподвижныхмагнетронов.
Роботизированнаяустановка «АМЕТИСТ-3»
В отличие от установки«Аметист» роботизированная система «Аметист-3» обладаетдвумя манипулируемыми (подвижными) планарными магнетронами. Это позволяетувеличить загрузку рабочей камеры и производительность установки. Загрузка ивыгрузка листов может осуществляться с помощью робота IR 601/60 (схват имеет 18вакуумных присосок).
Роботизированнаяустановка комбинированной обработки «ЯШМА»
Установка дляионно-лучевой обработки и осаждения покрытий «Яшма» является наиболеесовершенной из семейства магнетронных распылительных систем.
Отличительные особенностиее конструкции позволяют обеспечить следующие режимы обработки:
– осаждение покрытий издвух видов магнетронных источников: с дискового, позиционируемого с помощьюроботизированной системы, или неподвижного протяженного, позволяющего проводитьнапыление последовательно с двух катодов;
– ионная имплантациягазовых ионов;
– осаждение покрытий сионным ассистированием;
– ионное перемешиваниеосажденных покрытий ядрами отдачи.
Иными словами, наличиемагнетронов двух типов обеспечивает за один цикл обработки изделияпоследовательное нанесение трех разных покрытий (немагнитные материалы, металлыи сплавы). Использование ионного источника позволяет совместить процесснанесения пленки с ионной имплантацией, называемый комбинированной обработкой.Таким образом, существенно повышается адгезия пленки с подложкой и,следовательно, улучшается качество покрытия обрабатываемого изделия.
Рабочая камера установкиснабжена вращающимся поворотным столом.
Роботизированнаяустановка «ИЗУМРУД»
Установка предназначенадля обработки листового стекла. Отличительной особенностью является то, что онане дискретного, а непрерывного действия. Установка снабжена входным и выходнымшлюзами, которые позволяют производить ее загрузку без разгерметизации рабочейкамеры, благодаря этому существенно повышается производительность.
На входе и выходе изустановки имеется рольганговый участок, обеспечивающий подачу стекла, котороеподается и снимается роботом IR 601/60 с вакуумным схватом.
Роботизированнаяустановка «ОПАЛ»
Установка предназначенадля нанесения тонкопленочных покрытий из металлических материалов, а также ихоксидов и нитридов методом распыления в вакууме металлических катодов плазмойаномального тлеющего разряда магнетронного типа. Принцип действия установкиоснован на дискретном шлюзовании кассеты с листовыми или малогабаритнымиизделиями и последующей обработке их в рабочей камере, постоянно находящейсяпод вакуумом. Рабочая камера оснащена системами предварительной очистки изделийпотоком ионов и магнетронного распыления. Одновременно обрабатываются двепластины размерами 2600x1600 мм или обе стороны малогабаритных штучных изделий.Управление установкой осуществляется с унифицированного пульта,регламентирующего работу вакуумной системы и процесс напыления вполуавтоматическом режиме.
Установка и выгрузкакассеты с листовыми или малогабаритными изделиями осуществляется роботом свакуумным многопозиционным схватом.
Роботизированнаяустановка магнетронного напыления УМН-8
Установка УМН-8 – этодвухкамерная установка непрерывного действия с шлюзовой загрузкой, двумяпараллельно работающими ионно-магнетронными системами очистки-напыления,содержащими по одному ионному источнику очистки и по два магнетрона напыления.Свойства получаемых покрытий варьируются путем изменения толщины пленок,комбинации различных материалов (оксидов, нитридов металла) и подбора стехиометрии.
Установка можетснабжаться робототехническим комплексом для загрузки и выгрузки деталей.
Роботизированнаяустановка вакуумная металлизационная УВМ-20У
Эта установка предназначена для нанесенияалюминиевого покрытия в вакууме на поверхность изделий из стекла. Процессметаллизации изделий происходит в вакуумной камере установки при давлении 6,65´10-2 Па (5´10-4 мм рт.ст.) изаключается в конденсации паров алюминия на поверхность изделий, которыеразмещаются в контейнере, установленном в камере.
Для открывания камеры,загрузки и выгрузки можно использовать робототехнический комплекс.
Роботизированнаяустановка вакуумная напылительная УВН-4ЭД
Установка УВН-4ЭД предназначена для нанесения металлическихпокрытий (титан, алюминий, нержавеющая сталь, медь) на стекла при производствезеркал, а также для тонирования стекол.
Вакуумная металлизационная установкаУВН-4ЭД – однокамерная, периодического действия.
Управление установкой дистанционное.Процесс металлизации изделий происходит в вакуумной камере установки придавлении 6,65´10-2 Па(5´10-4 мм рт.ст.) и заключается в конденсации паров металла на поверхность изделий, которые размещаются вконтейнере, устанавливаемом в камере.
Загрузка и выгрузкадеталей или листового стекла осуществляется с применением робототехническогокомплекса.
Роботизированнаяустановка вакуумная напылительная УВН-4М
Эта установка предназначенадля нанесения магнетронным распылением металлов на поверхность изделийразличной геометрической формы, открытой для прямого попадания на нееиспаряемых паров металла.
Установка может быть использована впроизводстве товаров народного потребления с улучшенной цветовой и декоративнойотделкой поверхности, а также изделий с повышенной коррозионно- иизносостойкостью.
Принцип работы установки основан нараспылении материала мишени, которое осуществляется ионами рабочего газа,образующимися в плазме аномального тлеющего разряда, в скрещенных электрическихи магнитных полях. Загрузка и выгрузка деталей может осуществляться с помощьюробототехнического комплекса.
Роботизированная установкавакуумная напылительная УВН-4МC-5
Установка предназначена для нанесениядекоративного покрытия магнетронным распылением металлов на поверхность изделийразличного назначения.
Установка может быть использована впроизводстве товаров народного потребления, для улучшения цветовой идекоративной поверхности различных изделий, а также изделий с повышеннойкоррозионной и износостойкостью.
Установка изготавливается вклиматическом исполнении УХЛ, категории 4 по ГОСТ 15150.
Загрузка и выгрузкадеталей может осуществляться с помощью робототехнического комплекса. Автоматизированные и роботизированные установки длянанесения покрытий на диэлектрики Роботизированная установка «PLASMASCAN»
В установках PlasmaScanключевая идея заложена в обработке неподвижной подложки с помощью систем ионнойочистки и распыления, установленных на сканирующей каретке. При этомобеспечивается возможность применения полного набора распыляемых материалов.Подложка загружается и выгружается из главной камеры через шлюзовую камеру. Врезультате источники очистки и распыления постоянно находятся в зоне высокоговакуума. Полный цикл напыления включает загрузку подложки, ионно-лучевую очистку,нанесение всех предусмотренных слоев в одном цикле напыления и выгрузкуподложки.
Установка PlasmaScanнезаменима для получения разнообразных и сложных покрытий как при проведенииисследований, так и при мелкосерийном производстве тонкопленочных структур.
Гибкое и удобное вуправлении программное обеспечение служит для построения производственныхсетей, сравнимых по производительности с установками линейного типа, нозначительно превосходящих последние по гибкости организации производства.
Области применения:
–исследование и производство плоских дисплеев (Flat Panel Display);
–напыление для лазерных элементов;
–производство DWDM и CWDM фильтров;
–производство диэлектрических фильтров и зеркал.
Концепция системы:
1.Протяженный ионно-лучевой источник распыления IBSS или двойной планарныймагнетрон IzoMag с автоматически меняющимися мишенями из различных материалов.
2.Протяженный ионно-лучевой источник очистки IBCS, используемый для окончательнойочистки поверхности подложки от микрочастиц, адсорбированных паров газов илимолекул воды и подготовки ее к напылению.
Подложка загружается в рабочую камеру через шлюзовуюсистему и остается неподвижной в течение всего процесса напыления. Оптическийконтроль осуществляется непосредственно по самой подложке. Датчик кварцевогоконтроля также находится в плоскости подложки.
Будучи испытанной с широким перечнем распыляемых материалов(Ti, Ta, Nb, In-Sn (5%), Al, Mg, Si, Ge, Pb, Cu, Ag и т.д) и комбинацией газов(Ar, O2, N2, H2, C2H2, C3F8,C3H8, и т.д.), установка PlsamaScan предоставляетнеограниченные возможности для разработки и исследования новых процессов итонкопленочных покрытий, что невозможно с использованием традиционноговакуумного напылительного оборудования.Система ионно-лучевого распыления IBSS
Назначение. Система IBSS (рис.1) являетсявысокоэффективным инструментом для качественного нанесения покрытий изметаллов, сплавов, окислов, нитридов методом ионно-лучевого распыленияпротяженных мишеней в среде аргона, кислорода, азота, фреонов или смеси этихгазов и позволяет обеспечить:
–нанесение проводников, полупроводников и диэлектриков;
–температуру подложки при распылении не выше 60°С (140°F).
–возможность последовательного распыления нескольких различных материалов водном процессе;
–большой динамический диапазон скоростей нанесения
(1Å/сек¼10 Å/сек);
–очень гладкую поверхность пленок;
–высокую плотность структуры пленок;
–однородный состав многокомпонентных пленок;
–возможность распыления мишеней длиной до 3360 мм;
–уровень неравномерности не хуже ±2% по поверхности распыления;
–надежную непрерывную работу;
–стабильные реактивные процессы распыления;
–возможность работы с инертными (Ar, He, Ne, и т.д.) и активными газами (O2,N2, CFx, CxHy и т.д.);
–косое напыление.
Схемаустановки IBSS показана на рис.1.
/>
Рис.1 — Схема установки IBSS
Применениесистемы ионно-лучевого распыления IBSS наиболее эффективно в следующихобластях:
–напыление на чувствительные к температуре подложки;
–высококачественные оптические пленки для дисплейной промышленности;
–высокоточная оптика;
–износоустойчивые пленки;
–сверхтонкие пленки (нанотехнологии).
Системараспыления IzoMag является высокоэффективным инструментом для нанесенияпокрытий из металлов, сплавов, окислов и нитридов методом двойногомагнетронного распыления на переменном токе с частотами 40…80 кГц имагнетронного распыления на постоянном токе.Система двойного магнетронного распыленияна постоянном/переменном токе IzoMag
Схемаустановки IzoMag представлена на рис. 2.
/>
Рис. 2 — Схема установки IzoMag
Основныедостоинства и преимущества IzoMag:
–возможность распыления от одного до четырех материалов мишеней в одном цикле напостоянном токе;
–возможность чередующегося нанесения слоев с низким и высоким коэффициентомпреломления;
–возможность нанесения сплавов переменного состава при одновременном независимомраспылении двух металлических мишеней на постоянном токе;
–возможность распыления мишеней длиной до 1646 мм;
–уровень неравномерности не хуже ±5% по поверхности распыления;
–надежная непрерывная работа.
Применениесистемы двойного магнетронного распыления IzoMag наиболее эффективно вследующих областях:
–высококачественные оптические пленки для дисплейной промышленности;
–износоустойчивые пленки;
–декоративные пленки;
–напыление на большие поверхности;
–оптические пленки;
–защитные пленки.
Системаионно-лучевой очистки IBCS
Описаниеизделия. Системаионно-лучевой очистки IBCS предназначена для финишной очистки поверхностиподложки от молекулярных частиц, адсорбированных газов, полимерных фрагментов,воды, а также для активации поверхностных связей подложки в вакуумной камеренепосредственно перед нанесением покрытия. Ионно-лучевая очистка гарантируетотличную адгезию между первым нанесенным слоем и подложкой. Ионно-лучевойисточник очистки может поставляться с оригинальным блоком питания IPS-С5K.
Достоинства:
–возможность работы с инертными (Ar) и активными (O2, N2, CFx, CxHy ) газами иих смесями;
–очистка с равномерностью не хуже ±5% подложки с шириной до 3400 мм;
–надежная продолжительная работа;
–давление в вакуумной камере в процессе очистки
10-3…102Па;
–легкая и надежная установка в вакуумные установки поточного и периодическогодействия;
–возможность обработки поверхности под различными углами: 10 …90°;
–высокая скорость очистки;
–надежная адгезия без специальных подслоев;
–возможность обрабатывать различные типы подложек (металлические,полупроводники, диэлектрики, полимеры).
Применение. Система ионно-лучевой очистки(рис.3) обеспечивает эффективную атомарную очистку и подготовку поверхностиподложки при использовании в следующих областях:
–нанесение покрытий на большие подложки при производстве плоскопанельныхдисплеев (FPD);
–нанесение покрытий на большие подложки при производстве архитектурного стекла;
–производство кремниевых микроэлектронных чипов;
–оптика и лазеры;
–оптическая электроника и телекоммуникации.
/>
Рис. 3 — Схема ионно-лучевогоисточника очистки Автоматизированнаяустановка «НИКОЛАЙ»
Установкапредназначена для получения тонких пленок различных материалов на стекле,полиэтилене, металле, бумаге методом вакуумного дугового и магнетронногонапыления. Установка позволяет получать полупрозрачные и зеркальные пленки налистовых и рулонных материалах, изделиях большого габарита.
Имеетсявозможность получения многокомпонентных составов (до шести элементов плюсреактивные газы).
Установкарассчитана на эксплуатацию в условиях умеренного климата. Управление установкойпроизводится от ЭВМ, что гарантирует высокое качество и стабильностьтехнологии.
Список литературы
1. Гибкиепроизводственные комплексы /под.ред. П.Н.Белянина. – М.: Машиностроение, 1984.– 384с.
2. Гибкоеавтоматическое производство/под.ред. С.А.Майорова. – М.: Машиностроение, 1985.– 456с.
3. Иванов А.А. ГПС вприборостроении. – М.: Машиностроение,1988. – 282с.