A Review on Micro-manufacturing, Micro-forming and their Key Issues
Abstract
Micro-manufacturing has received good attention globally in terms of its manufacturing methods/processes. One of the most popular micro-manufacturing processes is icro-forming. Many efforts have been focused on micro-forming, mainly on the micro-stamping process due to the process itself contributing numerous products, especially in its conventional macro-process. Most every-day products are made by this process. Although there were efforts made to realize micro-forming for industrial application, the technology itself was seen as being insufficiently mature. Much development work needed to be done, specifically to develop a fully-automated high-volume production micro-forming machine, which is reliable and at all times ready for operation in terms of it processes, tooling, and material- handling to ensure the successful production of micro-products. The paper addresses key issues encountered by researchers worldwide on both micro-manufacturing,specially micro-forming.
copy; 2013 The Authors. Published by Elsevier Ltd. Open access under CC BY-NC-ND license.
Selection and peer-review under responsibility of the Research Management amp; Innovation Centre, Universiti Malaysia Perlis.
Keywords: Micro-Manufacturing, Micro-Forming, Size Effects, Micro-Parts, Micro-Machines.
- Micro-manufacturing in General
The term lsquo;micro-manufacturing conceptrsquo;in the context of a miniature factory is understood to be a micro-factory and it is a relatively new concept concerning manufacturing systems.A micro-factory can be defined as a small manufacturing system conceived as a means of achieving higher throughput with less space and reduced consumption of
both resources and energy via downsizing of production processes. This means that all of the equipment has necessarily to be reduced to the micro-scale (micro-machines) which could, in-turn, reduce the energy consumptions, preliminary and overhead costs,and material requirements, along with reducing pollutions and creating a more user-friendly production environment. As the scale of the equipment is reduced, the mass of the equipment itself can be reduced dramatically and this will lead to the increasing of tool speed and at the same time will result in
improvement of the production rates by the reduction of the manufacturing cycle.In addition to the foregoing advantageous, the force/energy loop and the control loops for small-size equipment are believed by many researchers to be significantly shorter.
*Corrsponding author.E-mail address:akhtar@ump.edu.my
1877-7058 copy; 2013 The Authors. Published by Elsevier Ltd. Open access under CC BY-NC-ND liense.
Selection and peer-review under responsibility of the Research Managementamp;Innovation Center,university Malaysia Perlisdoi:10.1016/j.proeng.2013.02.086
In 1990, a research group from the Mechanical Engineering laboratory(MEL),Tsukuba Japan,studied the effect of miniaturization of production systems.The estimation was made that in the case of a 1/10 size reducation of production machines,the total energy consumption in the factory decreases to approximately 1/100 compared to that of the conventional factory.The most significant advantage of micro-manufacturing is the capacility for producting parts which having feature sizes of less than 100,or little greater than the thickness of a human hair.
At this scale, the slightest variation in the manufacturing process caused by material or cutting tool characteristics, thermal variations in the machine, vibration and any number of minute changes, will have a direct impact on the ability to produce features of this type on a production scale.
2. Micro parts definitions
A meso-part is regarded as a part that is greater in size than a few millimeters (as a reference, the meso-domain is defined as products fitting in a box of 200 x 200 x 200mm.However, a micro-part is concerned with small parts with typical part-dimensions in the range of sub-millimeters up to a few millimeters, although part-features may be in the micro-meter range. The typical positional precision for such parts is expected to be in the range of 0.1 to 10mu;m. The micro-domain allows for, and sometimes demands, the application of methods and techniques that cannot be applied in the meso-domain
- Micro manufacturing methods and processes
The trend for micro-manufacturing at the present time is more focused on miniaturizing or down-scaling both conventional and non-conventional methods to produce micro-products Additionally, there are also emerging methods, such as the hybrid manufacturing methods, which combine two or more processes together.Manufacturing processes can be categorized according to the type of energy used in the process itself, such as mechanical, chemical, electrochemical, electrical and laser processes. The working principles behind each process include consideration of mechanical forces, thermal effects, ablation, dissolution, solidification, re-composition, polymerisation/lamination, and sintering.According to the way in which components/products are to be made, general manufacturing processes can also be classified into subtractive, additive, forming, joining and hybrid processes. The classification is equally applicable to micro-manufacturing. Typical manufacturing methods
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微制造，微成形及其关键问题的评论
摘要
在加工方法/流程方面，微制造在全球范围内受到良好的重视，其中最流行的微制造加工时微成形。许多努力集中于微成形，主要集中于微冲压工艺，由于该工艺本身有助于生产许多类型的产品，尤其在传统的宏观过程中。大多数每天生产的产品通过这种方法加工而成。虽然为了工业化运用能够实现微成形已经做了很多努力，该技术本身被视为没有足够的成熟。许多研发工作需要去做，尤其研发一个完全自动大容量生产的微成形机床，这种机床要可靠并且在都能在处理，刀具和材料操作方面做好准备以保证微型产品成功的生产。文章中的关键问题是世界各地的研究者在研究微制造尤其是微成形方面所遇到的。
copy;2013作者。在CC BY-NC-ND授权，由爱思唯尔公司出版开放接入。
在马来西亚玻璃大学的研究管理与创新中心的安排下选择和各领域的专家互相评阅。
关键词：微制造，微成形，尺寸效应，微型零件，微型机器。
1.微制造的总体介绍
术语lsquo;微制造概念rsquo;在小型工厂文件中被理解为微型生产，他是一个相对较新的关于制造系统的概念。微型工厂可以被定义为一个小型制造系统设想通过小空间和降低资源和能源的消耗，减少生产过程的规模实现高生产的一种方式。这就意味着所有的设备已不必被减小到微米级（微计算机），相反，减少能源消耗，基本的日常管理费用，和材料的要求，以及减少污染和创建更人性化的生产环境。由于设备的尺寸的减小，设备本身的质量可被显着地降低，这将导致刀具转速的提高，结果在同等时间内通过减少生产周期提高生产效率。除了上述有点外，研究人员相信，动力/能源回路和控制回路设备的尺寸也会显著缩小。
*相应作者的邮件地址：akhtar@ump.edu.my
1877-7058copy;2013作者。在CC BY-NC-ND授权，由爱思唯尔公司出版开放接入。
在马来西亚玻璃大学的研究管理与创新中心的安排下选择和各领域的专家互相评阅：10.1016/j.proeng.2013.02.086
1990,一个研究小组从机械工程实验室（MEL），日本筑波，研究影响微型的生产系统。估计是在尺寸上减少1/10的机器上被生产的，与传统的工厂相比次过程总共小号的能源减少了大概1/100.为制造最重要的优点是能够加工那些部分特征尺寸小于100mu;m或是比人类头发还薄的部分。
在这个比例下，由材料或切削刀具特性，机床的热参数，震动或其他转速的改变引起的最轻微的震动，将会这接影响在生产规模生产这种类型特征的产品。
2.微型零件的定义
中间层部分被视为一个部分是在尺寸上大于几毫米（作为参考，该中间层区域被定义为产品中的一个200times;200times;200立方毫米的框，但是，一个微型零件所涉及的小的部件，部分典型的尺寸范围从亚毫米到几毫米。虽然部分特殊，可以在微米范围内。这种部件的典型位置精度预计将在为0.1至10mu;m的范围内。该微结构域允许，有时要求，方法和技术，无法应用到微型域中
3.微制造方法和过程
目前的趋势，微制造更侧重于小型化或向下缩放常规和非常规方法，以另外产生微产品，也有新出现的方法，如混合的制造方法，其中将两个或多个进程同时。制造工艺可以根据在此过程中使用的能量的类型进行分类，如机械，化学，电化学，电学和激光工艺中。每个进程背后的工作原理包括考虑机械力，热效应，消融，溶解，凝固，重新构图，聚合/层压和烧结。根据其中的组件/产品加工的方式，一般的制造工艺，也可以分为去材，添加剂，成形，接合和混合过程。这种分类方法同样适用于微型制造。典型的阻止部件生产/产品的制造方法见与表1
表1;在微制造.中典型的方法 /过程
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減法过程 |
微机械加工（铣削，车削，研磨，抛光等）;微细电火花加工;微ECM;激光加工;电子束加工;光 - 化学加工;等等 |
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添加剂过程 |
流程表面涂层（CVD，PVD）;直写（喷墨，激光制导）;微铸造;微量射出成型;烧结;光 - 电 - 成形;化学沉积;聚合物沉积;光固化;等 |
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成形过程 |
进程微成形（冲压，挤压，锻造，弯曲，拉深，增量成形， 超塑性成形，液压成形，等）;热压印;微/纳米压印;等等 |
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连接过程 |
微型机械组装;激光焊接;电阻，激光，真空钎焊;粘接胶;等等 |
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混合动力 过程 |
微激光ECM; LIGA和LIGA结合激光加工;微细电火花加工和激光组装;形状沉积和激光加工;EFAB;激光辅助微成形;微组装注塑成型;合并的微机械加工和铸造;等等 |
4.微加工机床/微型工具
至于，迄今为止已经经历了什么，快速发展的制造技术在传统的机械和工艺中已经覆盖了几乎所有的领域。为了应对这种不断发展，许多研究人员和公司提出并开发了自己的微机版权在微制造业发展的早期时代微制造的研究更加侧重于装配和运输过程，该项目的研究由日本的研究者和工业所引领。反过来也促进了欧洲国家类似研发项目的快速发展，如项目Miniprod的蓬勃发展。这些付出也加快了由Klocke Nanotechnik开发的小型生产系统的发展。微型工厂的开发工作包括具有50nm的一个重复性的纳米机器人模块。后来，在2000年，微型制造业发展的重点是向下缩放传统铣削和车削工艺并再次由日本研究者率领。例如，机械工程实验室，在国家机研究所先进工业科学和技术，被誉为AIST，成功地在2000年装备了一个微型车床精密数字控制系统。微型转换技术是微长野化工技术基金会财团发展的又一个努力。该机构由14个本地公司和多家机构的成员组成。他们正在开发，为了将其纳入自己的生产活动的微工厂的概念。在2003年，他们开发了一种独特的桌面大小的转动中心，其中所述机器尺寸仅仅大约是A3纸页的尺寸。在2000年中期，传统铣削小型化的成熟和转换流程，世界著名的伺服和机械制造商意识到它良好的发展前景。在2004年Fanuc的开发了机器的高精度的多功能机的功能调用ROBOnano几种组合，其可作为一个五轴磨机，车床，五轴磨床，五轴成型机和高功能 - 速度整形器，这是通过空气涡轮主轴代替常规旋转伺服电动机的装置实现的。在2006年，一组研究人员从斯特拉斯克莱德大学开发出一种微型形成machine.The机是直接驱动精密直线电机驱动，并具有大规模生产16件在每一秒的能力。微成型机的操作是完全独立的，其中高精度进给及零部件运输系统进行了全面的集成设备。5.微制造和关键问题
微件的微制造的设计需要解决生产问题广泛，以便能够成功相比用基于微技术原型产品的情况。在大批量生产的微型元件应该是微制造的设计的主要目标。当这些
产品的设计，而不是只将需要的功能要求加以考虑，而且微制造相关的因素将必须加以考虑。这是因为，制造这些产品呈现更显著挑战，比起那些为宏观的产品的制造。相关微制造问题已经得到解决集中许多研究者。以下是一些在微机械制造业的设计阶段解决典型的问题。
5.1。忽略常规的因素
有一个限制到多远常规宏观尺度加工可以按比例缩小为小型化。超过一定的尺寸，可以与传统的加工被忽略的因素突然发挥很大一部分在微制造：振动，刀具偏移，温度，工具的刚性和机器的结构，以及排屑，是因为更重要这些因素都对微产品有较大的影响。
5.2。批量生产和自动化
在目前的微处理技术是在过程自动化方面发生的另一个问题。在开发原型单机和手工工序都需要每一个环节上的过程需要手动调整。大多数的过程，如主要流程;冲压，铣削，车削等，和处理过程;材料装卸，工具的定位和调心;全部手工配置和独立的专用控制器控制，以获得精确和准确的运动和调整。此耗费时间的过程取得的微处理只适用于低产率，并作为-但远离常规工艺的电位除去。在这件事情上面，手动调整往往相比，与具有误差补偿功能，目前自动闭环和可编程控制器提供更大的视差。
5.3可加工材料结构的局限
与微机械发展的相当早的阶段并行，仅ductile-和软材料具有低的强度特性而选择和研究作为试验材料;主要黄铜，铜，铝等。的柔软而有韧性的材料的令人满意的机械加工是容易实现的，由于这种材料具有低的机械强度，呈容易在低施加载荷/力变形。只有简单的微特征进行所做的努力，其中微特征是远远不能成功创建使用或应用.Soft材料是非常有限的使用和一些制造商已经发现，这些材料是不够耐用，满足可靠性和长寿命的不断增长的需求。因此，切换到硬，异国情调的材料是唯一可用的选项。
5.4。刀具尺寸结构
另一个关键问题微型制造发展工具的限制。目前，10mu;m的立铣刀的工具都已经实现，正在由碳化硅（PMT）这些工具。 25-50micron铣和钻探工具，目前已发现令人满意的，可商业化找到。虽然微型模具开发开始超过十年前仍有存在，这限制了工具的适用性限制。仅纵横比（该工具的比率
直径为5〜10的钻孔深度）已经被发现合适的，并且一些具有甚至低于5的纵横比。更深暴跌和钻井会导致刀具破损，因此，使得模具不适合aerospace-与汽车行业;其中需要低质量的非常高的强度的材料。钻孔可实现的精度尚未得到广泛研究，此外，关于亚微米精度的微工具对准问题尚未得到广泛研究，因为没有自动机提供的本能对准的亚微米精度的工具的。
5.5。不必要的外力结构
精确定位也是在微件的处理时遇到的主要问题。涉及身体接触外力，如静电，粘连或粘连作用，范德华力，已成为关键问题，许多研究已经进行了了解情况，并要消除这些势力的策略
数学和实践。
5.6。传感器的尺寸和性能结构
此外，注意，必须支付给传感器的准确度，因为可在当前时刻的传感器是笨重的尺寸和可达到的精度是微米的十分之一的数量级基本。被过度大型化，使传感器难以精确地放置在一个微小的工作空间，而这一精度水平不为微件应用程序，这至少需要亚微米的精度是可行的。此外，大多数的当前的校准精度能力的
机远小于精度要求的微处理。
6.钣金成型和冲压结构
钣金部件被广泛用于各种应用，例如汽车，飞机，电子产品，医疗植入物和包装的供消费物品，典型的部件/元件包括汽车面板，飞机蒙皮，罐头食品和饮料，为电视/计算机帧屏幕/显示器/显示器等关于小型/微型产品，钣金件，包括电连接器和引线框架，微网的口罩和光学器件，微弹簧微动开关，微杯电子枪和微型包装，微层板为微电机和流体装置，
微型齿轮微型机械装置，肠衣/外壳为微型装置装配/包装，微刀手术等。因此，钣金零件都与日常生活相关联。基本流程配置的宏观产品形成包括剪切，落料，折弯，冲压，深冲（包括机械和液压机械），液压成形，拉伸成形，超塑成形，形成年龄，纺纱，爆炸成形，渐进成形，等一个流行的和高的点播成型工艺是冲压。金属冲压已被定义为一个过程
在金属部件与钣金股票具体的设计制造就业，包括各种操作，如冲孔，落料，压花，弯曲，翻边压花。常见的例子是金属板的机器，汽车部件，在音频和视频设备中使用的金属成分，喷雾罐，甚至军用坦克。一个家庭的例子是使用金属板，使锅碗瓢盆。
金属片可以变形为不同的预先确定的形状。该金属必须是可延展的，需要以容易流入被绘制成各种形状。冲压可以在金属如铝，锌，钢，镍，铬镍铁合金，钛，青铜，铜等的合金来实现。该过程本身是一个大规模生产，这是很经济的方法与低循环时间。因此，它被广泛应用在大批量产品与半熟练劳动力的制造。这个过程也被称为无芯片的制造。
金属冲压工艺采用模具和冲头切割所述金属成所需形状。阳组件称为
冲头和阴部件被称为模具。压榨机工具用于在冲压过程。模具，制成硬质钢，具有这样的轮廓相匹配的成品零件的形状，并安装在印刷机上的表中。冲头，由硬化工具钢或碳化物，也部分的轮廓相匹配，但略小，以允许间隙
模和冲头之间。它被安装在头部或转台，它向下移动和冲头的金属。厚的钢板在此过程中不发生变化。
7.微冲压工艺
大量的研究调查已经覆盖了全球的微成形领域并表明微成型技术在工业生产运用中有着好的前景。此外，金属成型提供优于其他生产过程的积极的特性，例如，机加工和化学
蚀刻，考虑这样的特点为高的生产速率，更好的材料的完整性，减少浪费，降低制造成本，
等。因此，微成型可能是在大规模制造的微产品一种降低成本的更好的选择，提供一个适当的制造设备的发展.文学上统一写传统主要的过程相类似，但是，相反，宏观和中观尺度的产品被生产，微冲压旨在生产小型化的产品和组件。微冲压被视为在生产如手表和微手持设备部件，医疗产品等的微冲压发展.The早期阶段显示的处理的逐步发展。努力已经花费上黄铜带进行自动和混合简单的冲压工艺。这种努力继续手动操作微冲压机与采用的各种冲头形状的在微冲压发展.The最新努力已证明的能力的发展多级/进模微冲压可
用于微片材形成工艺。一种全自动直线电机驱动的多级/逐行工具微冲压机已经研制与斯特拉斯克莱德大学和欧盟的伙伴关系之间的协作。在微冲压过程中，不仅是在机器本身物理地按比例缩小，而所需的处理工具也必须能够通过按比例缩小的制造所需要的微件。通过努力展示单级和多级加工的成功运作为微片材形成工艺。各部分微型功能已成功生产。
8.微冲压机与工具
这项研究的趋势始于各个方面的基础研究在微成形，覆盖工作材料和相应的工装。后来，在2000年中期，该工作是由研究人员群体
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