תהליכי ייצור

תנור רם

אופן פעולתו של תנור רם: חומרי גלם: פחם אבן (קוקס) המשמש לבערה, מינרל ברזל (Fe₂O₃), אבן גיר (CaCO₃), ופחמן-חמצני (CO).

אופן ההכנה:

1. מכניסים פחם האבן לתנור רם.

2. מוסיפים את העפרות לתנור.

3. מתחילים להזרים אויר במפוח (מעלה את הטמפרטורה בתנור ועוזר לבערה של הפחם).

4. התכת הברזל וזיקוקו (הפרדה לברזל ולאי-ניקיונות) באמצעות שרשרת ארוכה למדי של תגובות כימיות בין חומרי הגלם.

יציקה

שיטת ייצור ועיצוב עתיקה מאד המקובלת עד היום. בתהליך היציקה חומר גלם במצב מותך, כגון מתכת (או פלסטיק), המצוי במצב צבירה נוזלי, ניצוק אל תוך תבנית בעלת צורה רצויה, בה הוא מתמצק ומקבל את צורת חלל התבנית. כדי להשלים את התהליך, מפרידים את החומר אשר התמצק מתוך התבנית על ידי הסרת התבנית או שבירתה. חומרי יציקה כוללים בדרך כלל מתכות או חומרים אשר מתקשים כתוצאה מערבוב של שני רכיבים או יותר יחד - לדוגמה אפוקסי, בטון, טיח וחומר. תהליך יציקה, הקיים למעלה מ-6,000 שנים, משמש לרוב ליצירת צורות מורכבות אשר קשות ויקרות ליצירה בשיטות אחרות.

בלב תהליך היציקה עומדת התבנית, אשר לתוכה ניתן להזרים חומר גלם במצב נוזלי. בסוף התהליך חומר הגלם (במתכת או בחומרים פלסטיים) הופך למוצק עקב קירור, עקב התייבשות הנוזל שבו (בבטון, בגבס, בחרס) או ריאקציה כימית (בחומרים פלסטיים מסוימים). הפעולה הראשונה בתהליך היציקה של מוצר חדש היא תכנון המוצר. בשלב זה יש לקחת בחשבון שיקולים שונים כולל עלות, דרישות הלקוח ועוד שיקולים הנדסים שונים, לדוגמה: האם הגיאומטריה של החלק (פינות חדות, עוביים משתנים, עובי דופן דק, כיפופים ועוד) ניתנת לייצור ביציקה? לשם תיכנון המודל משרטטים את החלק ואת התבנית תוך שימש בתוכנות שרטוט שונות. תחילה יש לבנות מודל/אב טיפוס של החלק. את המודל ניתן למשל להדפיס במדפסת תלת-ממדית. סביב המודל נבנית התבנית. בנית התבנית נקראת דפיסה מלשון דפוס.

ישנם פריטים שלא ניתן לצקת אותם כיחידה אחת, ולכן מתבצע פירוק של המוצר למספר חלקים, אשר יוצקים אותם בנפרד, ואחר כך מחברים אותם זה לזה בשיטות שונות כדוגמת שימוש במחברים (ברגים, מסמרות ופינים וכדומה) או בעזרת חיבור (ריתוך, הלחמה, הדבקה וכדומה).

סנטור

תהליך הקרוי גם מטלורגיית אבקות - תהליך זה מבוסס על חימום ודחיסה של אבקות מתכתיות בהתליך דיפוזיוני. מאפשר לערבב אבקות מחומרים שונים ולקבל חומר בעל קשיות גבוהה, העומד בטמפרטורות גבוהות. בעזרת סנטור ניתן לייצר סכיני גילוח.

עיבוד מתכות

מתכות ניתנות לייצור ועיבוד בדרכים רבות ומגוונות. צורת עיבוד המתכת נקבעת לפי צורת המוצר המבוקש, תכונותיו המכניות והדיוק הדרוש לפעולתו.

ערגול

שיטה לעיצוב מוטות וייריעות מתכת באמצעןת גלגליות תוך כדי הפחתת עובי החומר. שיטה זו מזכירה את האופן שבו ניתן לרדד בצק באמצעות מארוך, והיא מתבססת על יכולתן של מתכות לעבור דיפורמציה פלסטית באמצעות מנגנונים של תנועת נקעים בחומר המתכתי.

משיכה

תהליך המשמש לעיצוב חוטים ומוטות בהתסמךעל יכולתן של מתכות לעבור דיפורמציה פלסטית באמצעות תנועת נקעים בחומר. בתהליך זה מושחל מוט דרך חור (טבע) ונמשך לאורך הרצוי.

ריתוך

חיבור חלקי מתכת על-ידי התכתם באופן מקומי (תהליך דיפוזיוני). במהלך הריתוך מנקים את פני השטח של המתכת, ואז מצמידים את חלקי המתכת זה לזה, מחממים את שטח המגע לטמפרטורה גבוהה עד שהמתכות ניתכות באותו מקום. כאשר המתכות מתקררות הופכים החלקים לגוש מוצק אחד.

עיבוד שבבי

תהליך עיבוד אשר במהלכו מסירים שבבים מגוש מתכת. לא כל המתכות נוחות לעיבוד שבבי. עופרת למשל, אינה נוחה לעיבוד כזה מאחר והיא יוצרת שבבים גדולים מאד. הפליז, לעומת זאת, יוצר שבבים קטנים ולכן הו נוח לעיבוד שבבי. תהליך זה משמש להתאמתם המדויקת של חלקים המתקבלים בכל תהליכי העיבוד.

השחזה וליטוש

עיבוד מתכות באמתעות ניירות השחזה, בדי השחזה ואבקות ליטוש עשויות מחומרים קרמיים כדוגמת סיליקון-קרביד, אלומינה, סיליקה ואבקת יהלום, להשגת פני שטח חלקים וגימור עיבוד נקי וחלק של פני השטח.

חיסום פלדות

הינו תהליך שבו מחממים פלדה לטמפרטורה אוסטניטית ומצננים אותה במהירות במים. הקירור המהיר של הפלדה בנוכחות ריכוז פחמן גבוה בהרכבה גורם לכך שבמצב "מחוסם" יש לפלדה מבנה גבישי מיוחד במינו דמוי מחטים, הנקרא מרטנזיט, בעל תא יחידה מאורך ומעוות הקרוי BCT. המרטנזיט היא הפאזה הקשה והפריכה ביותר המוכרת בפלדה, ומכאן שהיא בעלת התנגדות מרבית לשחיקה. אטומי הברזל שואפים לעבור פאזה, אולם לאטומי הפחמן אין אפשרות לצאת ממקומם בתא היחידה המעוות; התוצאה היא קבלת מבנה קשה אך פריך, הנראה מבעד לעדשת המיקרוסקופ כדסקיות או כמחטים.

הרפיה

טיפול תרמי המבוצע לפלדות לאחר חיסומן, על-מנת לשחרר את החומר ממאמצים פנימיים כך שיהיה פחות פריך.

פיחמון (carburizing)

הוא תהליך שמטרתו להקשות את פני השטח של החלק, בעוד ליבת החלק נשארת רכה, משיכה ועמידה בפני זעזועים. תהליך זה מתבצע על ידי החדרת פחמן לפני השטח של החלק בתהליך דיפוזיוני, בטמפרטורה שבה הפלדה נמצאת במבנה אוסטניטי, המתאפיין ביכולתו הגבוהה של החומר להמיס פחמן. מקובל לעיתים קרובות לשלב בין תהליך הקרוי פיחמון לבין תהליך החיסום.לאחר קירור מהיר (חיסום) של הפלדה, תיווצר בשכבה החיצונית של החלק פאזת מרטנזיט, בעלת קשיות גבוהה והתנגדות מצוינת לשחיקה, אולם ליבת החומר תישאר במבנה פריטי, המאפשר לחומר עמידות מצוינת בזעזועים.

זיקון

תהליך המורכב מטיפול המסה ומטיפול נוסף לפירוק מבוקר של תמיסה רווית יתר. התהליך מבוסס על ירידת התמוססותו של מומס בממיס עם ירידת הטמפ'. תחילה מבצעים הומוגמזציה מלאה של המסג בטמפ' הנמצאת באיזור חד-פאזי, משהים עד גמר ההמסה וההומוגניזציה, ומקררים במהירות. קיבלנו תמיסה רווית יתר. בשלב השני מחממים את המסג מחדש לשליש מטמפ' ההומוגניזציה, משהים את המסג עד להופעת מתבדל עדין. עוצרים את התגובה על-ידי צינון המסג. טמפרטורת הטיפול התרמי לזיקון (לאחר טיפול המסה וחיסום) תקבע את התכונות המכניות, החשמליות והסביבתיות של נתכי אלומיניום. ככל שהטיפול יתבצע בטמפרטורה נמוכה יותר כך ניתן להגיע לחוזק גבוה יותר (אך גם ירידה במשיכות, בהולכה החשמלית ובהתנגדות לקורוזיה). טמפרטורת הטיפול התרמי תלויה בסוג החומר והרכבו ונקבעת לפי התכונות שמעוניינים להשיג. טיפולי זיקון מבוצעים בעיקר לנתכי אלומיניום, נתכי טיטניום, נתכי ניקל ופלב"מים המחוזקים במתבדלים.

מחזור מתכות

מחזור הוא פעולה שמטרתה שימוש חוזר במתכת. השיקולים למחזור משלבים בין שיקולים כלכליים לשיקולים סביבתיים. במחזורן של מתכות נהוג להבחין בין מתכות ברזליות לאל-ברזליות. מתכות ברזליות כוללות גרוטאות של חלקי מכוניות ישנות וכן פחיות שתיה העשויות מפלדה. חלקי ברזל ופלדה אלו מועברים להתכה במפעלי פלדה. מחזור פסולת פלדה ומתכות ברזליות נעשה במפעלי התכה בתנורים שעובדים בטמפרטורה של כ-1800 מעלות צלזיוס. מתכות אל-ברזליות כדוגמת נחושת ואלומיניום, נאספות על ידי גורמים שונים ומועברות למפעלי יצור שונים כחומר גלם ליצירת מוצרים חדשים. פסולת המתכת שנאספת ממוינת בהתאם לסוג המתכת, לאחר מכן היא מוכנסת לתנור ומותכת, ולבסוף נוצקת לתבניות ליציקת חומרי גלם ומוצרים חדשים.

יתרונות מחזור המתכת: 1. חיסכון במשאבי טבע. 2. חיסכון באנרגיה. 3. הפחתת כמות הפסולת המוצק.

חסרונות המחזור: עשוי לזהם ולא תמיד כלכלי.

הדפסת תלת-ממדית

טכנולוגיית ייצור המאפשרת לאדריכלים ולמהנדסים לייצר דגמים תלת-ממדיים ולבנות אבי טיפוס, תוך שימוש בתוכנת שירטוט ממוחשבת והדפסת המודלים במדפסת בריבוד, כלומר שכבה על גבי שכבה באופן דומה לפעולת מדפסות הזרקות דיו. טכנולוגיה זו אומנם קיימת מתחילת שנות ה-80 של המאה ה-20, אולם פריצתה הגדולה של הטכנולוגיה בראשית המאה ה-21. כיום ישנן מגוון מדפסות תלת-ממדיות המשתמשות בטכנולוגיות שונות, כולל הדפסת נוזל פולימרי המתמצק בעת חשיפה לאור וכן הדפסה בהתכה באמצעות לייזר. מדפסות תלת-ממדיות משמשות להדפסת מודלים ואבי-טיפוס של מוצרים לצד מוצרים מוגמרים כגון: הדפסת חלקים פולימרים ורכיבים מרוכבים לתעשיית הרכב, הדפסת חלקי מנועים ממתכות כדוגמת אלומיניום, טיטניום ואף פלדות, הדפסת בטון (הדפסת בתים באמצעות בטכנולוגיה זו), הדפסת רכיבים אלקטרונים, הדפסת מזון, ואף כיום מדובר על הדפסת רכיבים ביולוגים, כולל אברים אורגנים שאמורים להחליף את תרומת האברים, וכן הדפסת רכיבים זעירים, כולל מנועים, בתחום הננו-מטרי.

סינטר חומרים קרמים

תהליך כבישת אבקה קרמית בלחץ רב עד לאיחויו הסופי של החומר האמצעות תהליכים דיפוזיונים. בדרך-כלל הכבישה משלבת חומרי הדבקה המעורבבים עם האבקה והיא מתבצעת בטמפרטורות גבוהות. אחוז הפורוזיביות (נקבוביות) של החומר הקרמי נקבע לפי מירקם האבקה ותהליך הייצור. ככל שגרגירי האבקהיהיו קטנים יותר, כך אחוז הפורוזיביות יקטן בזכות תהליכי דיפוזיה מהירים יותר ורבים יותר (אנרגיית פני-שטח גבוהה), וטיב החומר יהיה איכותי יותר. אולם, גם תהליך הייצור קובע את דרגת הפורוזיביות של החומר, כאשר סינטור יעיל ואיכותי יסתכם בדרגת פורוזיביות נמוכה בחומר. שימוש בכבישה בלחץ, קרה או חמה (למשל, כבישה איזו-סטטית בחום, HIP), יוביל להקטנת הפורוזיביות.

יציקה של חומרים קרמים

בתהליך זה ממיסים או מתיכים אבקה קרמית, ויוצקים לתבנית בעלת הצורה המבוקשת. חלונות זכוכית מיוצרים ביציקה, בתהליך שהומצא בשנת 1953, שבו יוצקים את זכוכית המותכת על גבי משטח עופרת מותכת, כך שהזכוכית צפה על העופרת ויוצרת שכבה אחידה וחלקה.

גידול גבישי

כאשר נדרש לייצר חומר קרמי חד-גבישי, בעל דרגת ניקיון גבוהה, יש צורך לגדל את הגביש באופן איטי ומבוקר, מנקודה בודדה המהווה גרעין ההתגבשות, כך שהגביש כולו יגדל ויימצק בכוון קריסטלוגרפי יחיד ידוע מראש. לדוגמה, בתהליך צ'וחרלסקי (Czochralski) המשמש לגידול של חד-גבישיי סיליקון לתעשיית המיקרו-אלקטרוניקה, מכניסים לתוך תמיסת סיליקון מותך מוט של סיליקון גבישי, קטן ומושלם, שמבנהו הקריסטלוגרפי (גבישי) ידוע מראש, והוא משמש כגרעין התגבשות לייצירת מוט סיליקון נקי, תוך כדי משיכה וסיבוב של מוט הסיליקון שנוצר כלפי מעלה בקצב וטמפרטורה מבוקרים. ממוט סיליקון זה יינוסרו באמצעות מסור יהלום פיסות הסיליקוו (וויפרים) המשמשים לתעשיית המיקרו-אלקטרוניקה.

חדר נקי

חדר נקי הוא אזור במפעל למיקרואלקטרוניקה, המשמש לייצור של רכיבים בתעשיית המיקראלקטרוניקה, בו נשמרת רמת ניקיון מאוד גבוהה, זאת מאחר שנוכחות של גרגר אבק בודד עשויה לשנות את תכונות החומר, ובכך לשבש את תהליך יצור השבבים. בחדר נקי קיימת בקרת אקלים הכוללת: מערכות סינון אוויר, בקרת טמפרטורה (20 מעלות צלזיוס) ובקרת לחות (45%). תהליכי ייצור של הרכיבי המיוצרים בחדר הנקי מתבסס על מגוון רחב של טכנולוגיות ותהליכים, כולל פוטוליתוגרפיה ותהליכים כימיים ופיזירליים אחרים, ביניהם נידוף, השתלות יונים ואיכול כימי המקנים לחומר תכונות שונות באזורים שונים.

אילוח (Doping)

פעולה דיפוזיונית (מעבר חומר), זיהום מכוון של גביש נקי על ידי יסוד אחר. על ידי הוספה של חומרים מהעמודה החמישית בטבלה המחזורית, נוספים אלקטרונים לחומר, ונוצר מצב של עודף אלקטרונים. קשרם של אלקטרונים אלה לאטומים חלש יותר ולכן לאחר עירור תרמי הם מסוגלים להשתחרר, לנוע בחומר ולהעביר זרם חשמלי, חומרים אלו נקראים תורמים (donors). מאידך, על ידי הוספה של יסודות מהעמודה השלישית בטבלה המחזורית, נוצרים קשרים קוולנטיים בהם חסר אלקטרון, חומרים אלו נקראים אקספטורים (acceptors). מחסור בקשר הקוולנטי באלקטרון נקרא חור והוא מתנהג כמו נושא מטען חיובי.

בתהליך הייצור של מעגלים משולבים, שכבות דקות של חומרים שונים נאכלות ומשוקעות על גבי מצע הסיליקון (ישנו תהליך של הוספה והסרה של שכבות חומר הבונה את הטופוגרפיה של המעגלים המודפסים). בשכבות הללו פותחים, באמצעות תהליך הקרוי פוטוליטוגרפיה, חורים וחלונות המשמשים על מנת לבנות את האזורים שישמשו לבנית המעגלים המודפסים.

פוטוליטוגרפיה

הינו התהליך המכיל את השלבים השונים להעתקת הצורה הדרושה אל פני השכבה הדקה, כך שיתאפשר המשך עיבוד השכבה הדקה בתהליכים נוספים כגון: איכול, נידוף, שיקוע ועוד, כחלק מבניית המעגל. בתהליך זה מעתיקים על פני השטח את הקווים והצורות הדרושות לרכיבים. הדיוק הדרוש בתהליך הפוטוליטוגרפיה מגיע לידי ננומטרים.

פוטורזיסט הינו חומר פולימרי הרגיש לאור. כאשר חומר זה נחשף לאור דרך המסכה, הוא משנה את תכונותיו הכימיות באזורי החשיפה (התהליך מזכיר תהליך פיתוח של תמונות מצולמות בחדר חושך). האמצעות כוחות צנטרפוגלים הפוטורזיסט משוטח על השכבה אותה רוצים להאיר. לאחר שיטוח ואפיית הפוטורזיסט בתנור, חושפים את הפיסה עם שכבת הפוטורזיסט לאור אולטרה סגול (UV) דרך מסכה המכילה את הצורה הרצויה. מסיסותם של פוטורזיסטים בחומר מפתח משתנה באזור החשיפה. בשלב הפיתוח ממיסים את חלקי הפוטורזיסט שנחשפו לאור בחומר הקרוי מפתח, כך שבתום תהליך הפיתוח נשארת מוטבעת תמונת המסכה על פרוסת הסיליקון המצופה בפוטורזיסט, באותם אזורים בהם הפוטורזיסט לא הוסר (פוטורזיסט חיובי).

ננו-טכנולוגיות

המילה ננו מקורה ביוונית, ומשמעותה זעיר או ננס. כאשר אנו מדברים על ממדי אורך, הננו-מטר הינו מיליונית המילימטר, או 10-9 מטר). עולם הננו הוא עולמם של וירוסים ומולקולות הדנ"א. תחומי ה-MEMS (מערכות מיקרו-אלקטרו-מכניות) והננו כדיסיפלינות מדעיות נולדו באופן רעיוני כאשר פרופ' ריצ'רד פיינמן, הפיסיקאי היהודי הנודע, נתן בשנת 1959 הרצאה במכון CalTech, שכותרתה: "יש עוד שפע מקום בתחתית". במהלך אותה ההרצאה טען פיינמן כי בעתיד ניתן יהיה לבצע מניפולציות באטומים בודדים, וכי חולה לא ינותח עוד בידי אדם, אלא יבלע "רובוט זעיר" שישוטט וינווט בגופו לשם ביצוע המשימה הרפואית. ייחודן של הננו-טכנולוגיות בכך שמחד היא קטנה דיה למזער רכיבים באופן משמעותי, אך מאידך גודלה מאפשר עדיין לייצר רכיבים ולאגור אינפורמציה. בעת הנוכחית מדברים בחקר הננו במושגים של בנית מערכות "מלמטה למעלה" - בשונה מטכנולוגית ה-MEMS, כלומר התחלת הבניה מהרמה האטומית והמולקולרית והתקבצותם וסידורם של האטומים יחדיו עד למוצר הסופי. כיום לבצע מניפולציות על מולקולות ואף על אטומים בודדים, לנתקם מפני השטח ולהזיזם ממקומם, באופן שיאפשר להרכיב מערכות זעירות כדוגמת מנועים, זאת באמצעות טכנולוגיות מתקדמות כגון שימוש במיקרוסקופ מנהור סורק (STM). נשמע כמו "מדע בדיוני", אך לעיתים המציאות עולה על כל דמיון.