eng
Выпуск #1/2016
А.Ахметова, Д.Яминский, И.Яминский
Конструируем в 3D: от атомов и молекул до фабрик и заводов
Конструируем в 3D: от атомов и молекул до фабрик и заводов
Просмотры: 4357
Микроскопия и технологии успешно работают в 3D-формате: микроскопы наблюдают объекты микро- и наномира в трех измерениях, а современные обрабатывающие центры и 3D-принтеры создают по трехмерным электронным моделям сложные объемные изделия.
DOI:10.22184/1993-8578.2016.63.1.122.126
DOI:10.22184/1993-8578.2016.63.1.122.126
Теги: 3d printers 3d-принтеры machining centers scanning probe microscopy обрабатывающие центры сканирующая зондовая микроскопия
Изобретатели сканирующего туннельного микроскопа Г.Бинниг и Х.Рорер выполнили уникальную инженерную разработку, создав прибор по визуализации материи на уровне атомов и молекул. Сейчас можно констатировать, что влияние этого изобретения на современную науку, технологию и индустрию оказалось революционным во многих смыслах. В руках у ученых появился прибор для изучения атомов и молекул, практически всего спектра локальных свойств поверхности веществ и материалов с нанометровым пространственным разрешением. Возникла технология атомного масштаба (рис.1), которая составила основу нового направления, получившего общепринятое название "нанотехнологии". Обороты индустрии зондовой микроскопии превысили миллиардный рубеж.
Зондовые микроскопы (рис.2) стали полезным и высокоинформативным инструментарием в научных организациях и университетах, коммерческих компаниях и производственных фирмах, школах и колледжах. Журнал "Наноиндустрия" неоднократно обращался к теме применения зондовой микроскопии, обучения ее методам [1–6]. Индустрия зондовой микроскопии и обучение шагают вместе в ногу. Может показаться удивительным, но на протяжении всех тридцати пяти лет своего существования зондовая микроскопия развивается энергично и устойчиво. На современный момент можно насчитать более сотни различных видов и способов реализации этой технологии, когда уникальные физические измерения проводятся в объеме нескольких нанометров. Успеху зондовой микроскопии способствует не только высокая информативность, но и наглядность предоставляемых ею данных. Именно это позволяет широко использовать зондовую микроскопию в обучении школьников, студентов, аспирантов и специалистов. Например, изучение атомной решетки на поверхности графита является привычной лабораторной задачей не только студентов младших курсов университетов, но и учеников старших классов общеобразовательных школ. Такие занятия проводит, в частности, московский Центр молодежного инновационного творчества "Нанотехнологии" [7, 8]. В этом центре можно не только поработать на зондовом микроскопе, но и при желании создать зондовый микроскоп собственной конструкции.
Зондовая микроскопия сразу заработала в формате 3D: все изображения поверхности образцов получаются в объеме, где есть высота, ширина и длина. Возможно использование различных режимов сканирования: от простого построчного кадра до сложных модуляционных резонансных с измерением сразу нескольких параметров. Настройка режимов обратной связи позволяет минимизировать воздействие на образец со стороны зонда.
Управление многими современными системами – 3D-принтерами, 3D-обрабатывающими центрами, зондовыми микроскопами происходит с помощью одинаковых алгоритмов и с использованием родственной электроники и исполняющей механики – шаговых двигателей, сервоприводов, манипуляторов, прецизионных направляющих. На основе технологии зондовой микроскопии нами была создана серия обрабатывающих фрезерных станков с ЧПУ (рис.3) с высоким быстродействием и точностью обработки деталей (www.ATCindustry.com).
Особенностью современного технологического уклада становится полный отказ от человеческого труда при выполнении однообразных операций, которые успешно отдаются автоматам и роботам. Для более сложных операций служат автоматизированные системы с элементами искуственного интеллекта, построенного с применением математических алгоритмов обратной связи.
"Центр перспективных технологий" и Центр молодежного инновационного творчества "Нанотехнологии" ежегодно проводят конкурс для школьников, студентов и молодых специалистов "Мой первый завод" [9]. В одной из номинаций конкурса участники должны представить рассказ "О заводе, директором которого я хочу стать и который будет выпускать много полезного". Уже есть и победители (рис.4).
Трудно ли построить мастерскую, цех, завод? Наш опыт и наблюдения показывают, что нет, не сложно, особенно если есть к тому понимание и желание. Сколько времени надо потратить на запуск производства? Один год! Если производство сложное, то два года, если очень сложное – три года. Вот такая простая арифметика, к которой должны быть добавлены сила духа, настойчивость и умения, основанные на знаниях. Где доказательства и примеры? Посмотрите на индустриальный прогресс в Южной Корее за последние 15–20 лет, или промышленный бум в Китае! Да и в нашей российской истории такое происходило. Недаром великий режиссер Роман Кармен массовое строительство и запуски заводов в годы Великой Отечественной войны назвал мгновенной индустриальной революцией. Посмотрите пятую серию "На восток" документального сериала "Неизвестная война", снятого в содружестве Великобритании, США и СССР, там только факты. И заводы возникали в срок быстрее одного года!
Настоящая работа выполнена при поддержке Минобрнауки РФ (договор № 02.G25.31.0135) и Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (Договор № 9ГЦМИТ1/16315, код 0016315).
ЛИТЕРАТУРА
1.Ахметова А., Яминский И. Зондовые микроскопы, обрабатывающие центры и биосенсоры //
Наноиндустрия. 2015. № 7 (61). С. 92–95.
2.Дудник А., Федосеев А., Яминский И. Школьникам – об атомно-силовой микроскопии и 3D-технологиях // Наноиндустрия. 2015. № 3 (57). С. 86–90.
3.Макарова Е., Багров Д., Горелкин П., Ерофеев А., Яминский И. Наблюдение эритроцитов с помощью атомно-силовой и сканирующей ион-проводящей микроскопии // Наноиндустрия. 2015. № 2 (56). С. 42–47.
4.Яминский И. Центр перспективных технологий: первые 25 лет // Наноиндустрия. 2015. № 5 (59). С. 40–43.
5.Дубровин Е., Мешков Г., Яминский И. Наблюдение вируса табачной мозаики в практикуме сканирующей зондовой микроскопии // Наноиндустрия. 2014. № 2 (48). С. 46–52.
6.Яминский И., Мешков Г. Центр молодежного инновационного творчества "Нанотехнологии" //
Наноиндустрия. 2014. № 4 (50). С. 60–66.
7.Федосеев А., Яминский И. Неделя инноваций в Москве: II Всероссийская конференция ЦМИТ "Коммерциализация креативности" и открытие ЦМИТ "Нанотехнологии" // Наноиндустрия. 2014. № 8 (54). С. 32–41.
8.Центр молодежного инновационного творчества "Нанотехнологии", www.startinnovation.com
2.Большакова А., Яминский И. Конкурсы ЦМИТ "Нанотехнологии": Награждение победителей // Наноиндустрия. 2015. № 5 (59). С. 94–96
Зондовые микроскопы (рис.2) стали полезным и высокоинформативным инструментарием в научных организациях и университетах, коммерческих компаниях и производственных фирмах, школах и колледжах. Журнал "Наноиндустрия" неоднократно обращался к теме применения зондовой микроскопии, обучения ее методам [1–6]. Индустрия зондовой микроскопии и обучение шагают вместе в ногу. Может показаться удивительным, но на протяжении всех тридцати пяти лет своего существования зондовая микроскопия развивается энергично и устойчиво. На современный момент можно насчитать более сотни различных видов и способов реализации этой технологии, когда уникальные физические измерения проводятся в объеме нескольких нанометров. Успеху зондовой микроскопии способствует не только высокая информативность, но и наглядность предоставляемых ею данных. Именно это позволяет широко использовать зондовую микроскопию в обучении школьников, студентов, аспирантов и специалистов. Например, изучение атомной решетки на поверхности графита является привычной лабораторной задачей не только студентов младших курсов университетов, но и учеников старших классов общеобразовательных школ. Такие занятия проводит, в частности, московский Центр молодежного инновационного творчества "Нанотехнологии" [7, 8]. В этом центре можно не только поработать на зондовом микроскопе, но и при желании создать зондовый микроскоп собственной конструкции.
Зондовая микроскопия сразу заработала в формате 3D: все изображения поверхности образцов получаются в объеме, где есть высота, ширина и длина. Возможно использование различных режимов сканирования: от простого построчного кадра до сложных модуляционных резонансных с измерением сразу нескольких параметров. Настройка режимов обратной связи позволяет минимизировать воздействие на образец со стороны зонда.
Управление многими современными системами – 3D-принтерами, 3D-обрабатывающими центрами, зондовыми микроскопами происходит с помощью одинаковых алгоритмов и с использованием родственной электроники и исполняющей механики – шаговых двигателей, сервоприводов, манипуляторов, прецизионных направляющих. На основе технологии зондовой микроскопии нами была создана серия обрабатывающих фрезерных станков с ЧПУ (рис.3) с высоким быстродействием и точностью обработки деталей (www.ATCindustry.com).
Особенностью современного технологического уклада становится полный отказ от человеческого труда при выполнении однообразных операций, которые успешно отдаются автоматам и роботам. Для более сложных операций служат автоматизированные системы с элементами искуственного интеллекта, построенного с применением математических алгоритмов обратной связи.
"Центр перспективных технологий" и Центр молодежного инновационного творчества "Нанотехнологии" ежегодно проводят конкурс для школьников, студентов и молодых специалистов "Мой первый завод" [9]. В одной из номинаций конкурса участники должны представить рассказ "О заводе, директором которого я хочу стать и который будет выпускать много полезного". Уже есть и победители (рис.4).
Трудно ли построить мастерскую, цех, завод? Наш опыт и наблюдения показывают, что нет, не сложно, особенно если есть к тому понимание и желание. Сколько времени надо потратить на запуск производства? Один год! Если производство сложное, то два года, если очень сложное – три года. Вот такая простая арифметика, к которой должны быть добавлены сила духа, настойчивость и умения, основанные на знаниях. Где доказательства и примеры? Посмотрите на индустриальный прогресс в Южной Корее за последние 15–20 лет, или промышленный бум в Китае! Да и в нашей российской истории такое происходило. Недаром великий режиссер Роман Кармен массовое строительство и запуски заводов в годы Великой Отечественной войны назвал мгновенной индустриальной революцией. Посмотрите пятую серию "На восток" документального сериала "Неизвестная война", снятого в содружестве Великобритании, США и СССР, там только факты. И заводы возникали в срок быстрее одного года!
Настоящая работа выполнена при поддержке Минобрнауки РФ (договор № 02.G25.31.0135) и Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (Договор № 9ГЦМИТ1/16315, код 0016315).
ЛИТЕРАТУРА
1.Ахметова А., Яминский И. Зондовые микроскопы, обрабатывающие центры и биосенсоры //
Наноиндустрия. 2015. № 7 (61). С. 92–95.
2.Дудник А., Федосеев А., Яминский И. Школьникам – об атомно-силовой микроскопии и 3D-технологиях // Наноиндустрия. 2015. № 3 (57). С. 86–90.
3.Макарова Е., Багров Д., Горелкин П., Ерофеев А., Яминский И. Наблюдение эритроцитов с помощью атомно-силовой и сканирующей ион-проводящей микроскопии // Наноиндустрия. 2015. № 2 (56). С. 42–47.
4.Яминский И. Центр перспективных технологий: первые 25 лет // Наноиндустрия. 2015. № 5 (59). С. 40–43.
5.Дубровин Е., Мешков Г., Яминский И. Наблюдение вируса табачной мозаики в практикуме сканирующей зондовой микроскопии // Наноиндустрия. 2014. № 2 (48). С. 46–52.
6.Яминский И., Мешков Г. Центр молодежного инновационного творчества "Нанотехнологии" //
Наноиндустрия. 2014. № 4 (50). С. 60–66.
7.Федосеев А., Яминский И. Неделя инноваций в Москве: II Всероссийская конференция ЦМИТ "Коммерциализация креативности" и открытие ЦМИТ "Нанотехнологии" // Наноиндустрия. 2014. № 8 (54). С. 32–41.
8.Центр молодежного инновационного творчества "Нанотехнологии", www.startinnovation.com
2.Большакова А., Яминский И. Конкурсы ЦМИТ "Нанотехнологии": Награждение победителей // Наноиндустрия. 2015. № 5 (59). С. 94–96
Отзывы читателей
