Вакуумное напыление

Содержание

 

Аннотация 

Введение

1. Конструкторская часть

1.1 Описание аналогов вакуумных установок

1.2 Описание работы вакуумной напылительной установки МЭШ

1.3 Анализ конструкции установки

1.4 Реализация принципиальной схемы оптимального варианта

1.5 Проверочный расчет зубчатой передачи по нагружаемому моменту

2. Экономическая часть

2.1 Технико-экономическое  обоснование разработки и внедрения  установки

2.1.1 Выбор базы и  обеспечение сопоставимости вариантов  проекта

2.1.2 Расчёт себестоимости  и цены проектируемого оборудования

2.1.3 Расчет предпроизводственных  затрат

2.1.4 Расчёт капитальных  затрат

2.1.5 Определение текущих  затрат

2.1.6 Экономически целесообразная  область применения нового оборудования. Экономическая эффективность инвестиционного  проекта

2.2 Оценка эффективности инвестиционного проекта

2.2.1 Оценка инвестиционного  проекта по сроку окупаемости  (PP - Payback Period)

2.2.2 Оценка инвестиционного  проекта по критерию чистой  дисконтированной (приведенной) стоимости  (эффекту), (NPV - Net Present Value)

2.2.3 Оценка инвестиционного  проекта по критерию внутренней  доходности (IRR - Internal Rate of Return)

2.2.4 Оценка инвестиционого  проекта по критерию индекса  рентабельности (PI - Profitability Index)

3.Технологическая часть

3.1 Краткое описание  конструкции и назначения изделия

3.1.2 Отработка проектируемого  узла на технологичность

3.1.3 Анализ технических  требований на сборку

3.1.4 Технологический анализ  конструкции узла

3.1.5 Выбор метод достижения  точности сборки

3.1.6 Разработка технологической  схемы сборки

3.2 Проектирование технологического  процесса изготовления детали

3.2.1 Назначение детали  в изделии 

3.2.2 Анализ технических  требований

3.2.3 Технологический анализ  конструкции детали

3.2.4 Выбор метода изготовления  детали

3.2.5 Разработка маршрута обработки основных поверхностей детали

3.2.6 Выбор баз, составление  маршрута обработки поверхностей  делали

3.2.7 Расчет припусков  на обработку

3.2.8 Техническое нормирование  заданных операций. Расчет режимов  обработки

4. Система автоматического  управления

4.1 Описание комплексной  принципиальной схемы

4.2 Описание процессной  модели

4.2.1 Деление технологии  на процессы

4.3 Выбор сервисных  процессов

4.3.1 Выбор процессов  коррекции цели

4.4 Техническое задание  на элементы и узлы машины

4.5 Расчёт и описание блока энергоавтоматики

4.5.1 Расчет трансформатора  для питания регуляторов расхода  газа

4.6 Расчет электрических  цепей

5. Промышленная экология  и безопасность

5.1 Анализ установки  и технологического процесса

5.2 Основные требования безопасности при эксплуатации установки

5.3 Средства обеспечения  электробезопасности

5.4 Расчет адсорбера  для очистки воздуха от паров  масла

5.5 Средства вентиляции

6. Исследовательская  часть

6.1 Оценка полученного  тонкопленочного покрытия

6.1.1 Контроль износа

6.1.2 Исследование адгезии по методу сетчатых надрезов

6.1.3 Исследование равномерности  нанесенного покрытия

6.1.4 Определения прочности  адгезии

6.1.5 Исследование параметров  пленки спектрофотометром

Список использованной литературы

Приложения

 

 

Аннотация

 

В настоящем дипломном проекте был проведен анализ существующих аналогов вакуумных установок вакуумного напыления. Произведена детальная проработка конструкции поворотно-карусельного механизма установки. Выполнены необходимые проверочные расчеты.

В организационно-экономической части проекта выполнено экономическое обоснование реализации спроектированного варианта установки вакуумного напыления тонких пленок различными методами.

Произведена отработка  входящих узлов на технологичность. Разработан маршрут сборки узла ПКМ  – звездочка ведущая. Разработан маршрут технологической обработки детали –вал.

В проекте был предложен  вариант реализации автоматизированного  управления установки вакуумного напыления. Разработана структурная схема  предложенного варианта и осуществлен  выбор конкретных моделей устройств способных реализовать предложенный вариант.

Раздел “Промышленная  экология и безопасность” содержит анализ опасных и вредных производственных факторов, возникающих при работе на установке, описан комплекс организационных  мероприятий, направленных на предотвращение или уменьшения воздействия на оператора вредных производственных факторов.

В исследовательской  части проекта была выполнена качественная оценка полученного тонкопленочного покрытия и измерение неравномерности нанесенного покрытия.

Графическая часть дипломного проекта выполнена в объеме 12 листов А1 с помощью программы AutoCAD. Расчетно-пояснительная записка размером 104 листов выполненная с помощью программы Word. Дипломный проект соответствует всем необходимым требованиям предъявляемым к оформлению текстовых и графических документов.

 

Введение

 

Вакуумные технологии основаны на энергетическом воздействии на материал мишени в вакууме и переносе материала  мишени в результате воздействия  на подложку. Вакуумное оборудование и технологии нашли промышленное применение во 2-ой половине 20-го века во многих отраслях промышленности, сельского хозяйства, медицины и строительства, экологии и электроники, машиностроении, производстве товаров народного потребления, благодаря гибкости применения, возможности замены дорогостоящих или дефицитных материалов дешевыми и легкодоступными, обеспечение высокого качества материалов и изделий при экологической чистоте, возможности полной автоматизации управления и комфортных условий труда обслуживающего персонала.

В настоящее время  во многих областях науки и техники  возрос интерес к многослойным покрытиям  с толщиной слоев менее 1 мкм, а  также произошло расширение области  их применения. Это обусловлено возможностью значительной модификации или даже принципиального изменения свойств известных материалов, а также новыми возможностями создания материалов и изделий из структурных элементов нанометрового размера.

Многослойные покрытия нашли применение в :

- Машиностроении: 1. Жаропрочные, упрочняющие покрытия на оборудовании для топливно-энергетического комплекса, автомобильной, авиационной, космической и судостроительной промышленности; 2.Многослойные покрытия для трубопроводов, листовых материалов в качестве защиты от коррозии;3. Многослойные оптические покрытия для оптики, плоских экранов;

- Строительство: 1. Облицовочные декоративные  панели из стекла, керамики, металла,  пластмассы, обогревательные панели  из стекла; 2. теплосберегающие стеклопакеты и солнцезащитные пленки, “умные” окна;

- Автомобилестроение и транспортное машиностроение:1. Автомобильные зеркала “с” и “без” подогрева; 2. Тонированные стекла, в т.ч. триплекс; 3.Водостойкие покрытия; и мн. других.

Таким образом, на сегодняшний день нанесение многослойных покрытий представляет из себя перспективное направление развития электронных технологий.

 

1. Конструкторская часть

 

1.1 Описание аналогов вакуумных установок

 

В настоящее время для получения  высококачественных покрытий на производстве используются различные варианты установок, отличающихся как по принципу действия, так и по техническим характеристикам. На листе 1 курсового проекта представлены принципиальные схемы установок вакуумного нанесения покрытий: Оратория-5, Везувий – 8, УВН-2У.

Установка Оратория – 5 является установкой напыления непрерывного действия см.рис.1.1.В ней совмещены во времени операции загрузки подложкодержателя в камеру и процесс нанесения покрытий. Отличительной особенностью этой установки служит конструкция подложкодержателя, которая позволяет обрабатывать одновременно за один такт до четырёх подложек диаметра 105 мм, что в сочетании с непрерывностью действия обеспечивает очень высокую производительность до 80 пластин в час. После выхода на режим установка работает в следующем порядке. Оператор открывает крышку барабана и устанавливает в подвижную рабочую камеру первый подложкодержатель. При этом рабочая камера пристыковывается к шлюзу крышки барабана и отстыковывается от общей вакуумной камеры, сохраняя тем самым в ней вакуум. После этого крышка закрывается и рабочая камера перемещается в рабочую зону барабана. Конечно, при этом та часть воздуха, что заключалась в рабочей камере, попадёт в общую камеру, но после этого вакуум быстро восстанавливается до нужного состояния. Пока в рабочей части идёт процесс нанесения, оператор уже устанавливает второй подложкодержатель в другую рабочую камеру. В результате такого конструкторского решения у этой установки очень высокая производительность, при этом не самая высокая цена. Рассмотрим конструкцию подложкодержателя установки. Он выполнен по планетарной схеме, но при этом в конструкции отсутствуют зубчатые передачи, нестабильно работающие в условиях вакуума и в условиях распыления материалов. Планетарный механизм реализован на передачах трения качения: диск подложкодержателя при вращении водила «обкатывается» по дорожке рабочей камеры, при этом подложки совершают планетарное движение. Эта схема весьма проста по конструкции, но при этом имеет и недостатки: покрытия получаются весьма неоднородными, что обусловлено наклоном плоскостей пластин с подложками к оси источника.

 

Рис.1.1 « Установка Оратория-5»

 

Примечательно, что подложкодержатель  – быстросъёмный, что упрощает работу оператора и снижает временные  затраты на его установку до минимума.

Установка Везувий – 8 является установкой прерывного действия см.рис.1.2. Загрузка подложек в вакуумную камеру происходит последовательно одна за другой автоматически при помощи загрузочного автомата, но их обработка происходит последовательно, а значит производительность такой установки невысокая. Вместе с тем, так как не происходит разгерметизации рабочего объёма, установка способна выдавать до 20 пластин диаметра 105 мм в час. Стоит отметить, что Везувий изначально используется как установка ионной имплантации, а значит, переделка его в установку напыления потребует значительных затрат. Работает установка следующим образом. После выхода на режим двигатели привода кассет включаются, в результате чего из верхней кассеты в шлюзовую камеру выпадает подложка, а в нижней кассете для неё «выбирается» свободная ячейка. Шлюз герметизируется и после этого подложка перемещается по каналу загрузки на подложкодержатель под действием собственного веса. После он поворачивается в рабочее положение и происходит процесс нанесения. По его окончании подложкодержатель поворачивается в положение выгрузки и подложка опять же под действием своего веса перемещается в приёмную шлюзовую камеру. Она герметизируется и подложка падает в приёмную кассету. Далее процесс повторяется.

 

Рис.1.2 «Установка Везувий-8»

 

Установка УВН-2У является наиболее простой из всех приведённых установок. Принцип действия – прерывный, причём в отличие от Оратории и Везувия, процесс загрузки/выгрузки сопровождается полной разгерметизацией рабочей камеры, а значит производительность установки весьма низкая – каждый раз после загрузки необходимо откачивать рабочий объём от атмосферы до рабочего давления. Между тем, эта установка наиболее проста конструктивно, экономична, малогабаритна, что делает её весьма привлекательной для использования в лабораторных целях. Установка снабжена гидроподъёмником рабочей камеры, управление запорной арматурой и насосами – ручное. Главное достоинство установки – возможность монтажа различного внутрикамерного оборудования в отличие от жёстких ограничений на подобную модернизацию предыдущих установок. В настоящий момент в лаборатории кафедры имеется такая установка, в её комплектации: термоионный источник конструкции Сивакова Е.В., ввод вращения с мотор-редуктором РД-09, барабанный подложкодержатель.

 

Рис.1.3 «Установка УВН-2У»

 

1.2 Описание работы вакуумной напылительной установки МЭШ

 

Компьютеризированная установка  магнетронного нанесения с предварительной  ионной очисткой и криогенной откачкой; используется для производства многослойных покрытий автомобильных зеркал, защитных экранов для дисплеев и в оптике.

 

Рис.1.4 «Установка вакуумного напыления МЭШ»

 

Установка нанесения МЭШ 31 является установкой карусельного типа с периодическим принципом действия. Предназначена для нанесения светоотражающего покрытия на защитные стекла мотоциклетных шлемов.

Вакуумная камера 1 представляет из себя усеченный цилиндр, снабженный открывающейся  дверцей и смотровым окном  для наблюдения, протыкающегося процесса. Для осуществления охлаждения вакуумной  камеры и магнетронов используется окольцовывающая вакуумную камеру водоциркулирующая система охлаждения. Загружаемые стекла 5 устанавливаются на внутреннею поверхность загрузочного барабана 4, где крепятся за крепежные отверстия стекол на загрузочный барабан. Для нанесения многослойных покрытий, в газовой среде используются два магнетрона 3 расположенных в центре барабана. Пред нанесением, необходимо осуществить очистку стекол. Для этой цели используется ионный источник. Количество одновременно загруженных стекол на барабан равно 18. Вакуумная система выполнена на передвижном посту, что оставляет возможность мобильного подключения (отключения) от вакуумной камеры.

 

1.3 Анализ конструкции установки

 

Базовый вариант установки

- Базовый вариант установки  для нанесения многослойных покрытий  МЭШ, позволяет загружать до 18 штук шлемных стекол. Для загрузки обрабатываемых изделий необходимо последовательно вращать барабан загрузки. При установке оператор испытывает значительные неудобства из-за необходимости совершать сложные манипуляции при постановки стекол на внутреннею поверхность барабана.

- В случае выхода из строя  магнетронов или ионного источника, необходимо снимать стационарно установленный барабан для извлечения неисправного элемента.

- Высокая себестоимость получаемых  готовых изделий.

- Сложность извлечения поврежденных в процессе установки или напыления стекол.

- Загрузка барабана должна осуществляться  симметрично, так как крепление  загрузочного барабана осуществляется  только на вакуумном воде вращения. А также ограничение по массе  загружаемых изделий( порядка 24 кг).

- Конструкция загрузочного барабана  предназначена только мало отличающихся  типоразмеров шлемных стекол.

Все выше перечисленные причины  не являются критическими для работы установки, но создают значительные трудности для развития предприятия (себестоимость изделия высока); сложность обслуживания данной установки высока, неудобство загрузки и выгрузки стекол. Все эти причины послужили причиной необходимости модернизации данной установки.

Предлагаемый вариант установки