eng
Выпуск #1/2017
А.Ахметова, Ю.Белов, Г.Мешков, И.Яминский
Системы 3D-позиционирования в точной обработке материалов
Системы 3D-позиционирования в точной обработке материалов
Просмотры: 2805
Развитие техники сканирующей зондовой микроскопии позволило решить ряд сложных задач по перемещению и обработке объектов с нанометровой точностью. Такая возможность востребована в современных областях прецизионной обработки материалов.
DOI:10.22184/1993-8578.2017.71.1.102.104
DOI:10.22184/1993-8578.2017.71.1.102.104
Теги: compact machining complex scanning probe microscope малогабаритный обрабатывающий комплекс сканирующий зондовый микроскоп
Технологии обработки материалов можно разделить на две большие области. К первой из них отнесем операции с минимальным силовым воздействием на заготовку, например лазерную гравировку и резку, электроискровую прошивку и резку. Перспективным направлением является также микромашининг с помощью фемтосекундных лазеров. Во вторую группу входит механообработка со значительным силовым воздействием на заготовку: фрезерная и токарная обработка, механическое шлифование, абразивная резка и др.
Сканирующая зондовая микроскопия также позволяет обрабатывать материалы различными методами нанолитографии. Достигается это как механическим, так и электрическим воздействием на будущее изделие со стороны зонда – кантилевера. Точность обработки может составлять доли нанометра. Точность позиционирования рисунка также находится в нанометровом диапазоне. Температурный дрейф, достигаемый без использования дополнительных систем термостабилизации, может составлять единицы нанометра в минуту. Пример нанолитографии, выполненной с помощью метода локального анодного окисления, представлен на рис.1.
Разработанный НПП "Центр перспективных технологий" сканирующий зондовый микроскоп (СЗМ) "ФемтоСкан" оборудован системой точного перемещения образца в диапазоне 15–25 мкм. При этом минимальный шаг пьезокерамического манипулятора составляет около 0,001 нм. Дополнительное 3D-позиционирование осуществляется с помощью механической системы скольжения с использованием шаговых двигателей и редукторов. Диапазон позиционирования по осям OХ и OY составляет около 10 мм, минимальный шаг перемещения – 50 нм. Диапазон перемещения по оси OZ – около 8 мм, минимальный шаг – 25 нм.
Если в СЗМ традиционно используется трехкоординатное сканирование с перемещением образца или иглы по осям XYZ, то в современных обрабатывающих центрах реализуется перемещение по 3–9 осям. Точность обработки может достигать единицы нанометра. Например, такую точность обеспечивает электроискровой станок японского концерна Sodick, являющегося безусловным лидеров в данном направлении. Достижения в области механической обработки в наномасштабе приведены в обзорной публикации Марка Дж.Джексона [1].
Проверку качества обработки можно проводить как оптическими методами сверхвысокого разрешения, так и с помощью сканирующей зондовой микроскопии, которая фактически позволяет выполнять измерения с точностью до расположения отдельных атомов. Метрология нанометрового масштаба развивается быстрыми темпами [2, 3].
Все большую популярность набирают малогабаритные обрабатывающие комплексы с числовым программным управлением (ЧПУ). Такое оборудование незаменимо, когда требуется высокая точность, повторяемость, мобильность и многофункциональность. Благодаря переходу от ручного управления к компьютерному моделированию и использованию новых технологий в области изготовления прецизионного мелкодисперсионного инструмента из карбида кобальта, стала возможной скоростная силовая обработка на скоростях до 100 тыс. об/мин даже таких материалов, как закаленные стали и чугун. Малогабаритный обрабатывающий комплекс ATCNano сконструирован как доступное решение в области обработки материалов силовым методом или с использованием лазерных и электроискровых модулей для учебных заведений, НИИ и коммерческого использования. Для многомерной обработки разработан и испытан глобусный стол с дополнительными двумя осями вращения детали, а программная точность в 4 мкм позволяет изготавливать высокоточные изделия для прототипирования, модели для ювелирной продукции и высокоточного машиностроения (лопатки турбин, блоки высокого давления и т.д.).
Возможности многоосевого комплекса дополнительно расширяются благодаря универсальности платформы – возможно использование как шпинделя для силовой многокоординатной обработки, так и модулей для лазерной гравировки, резки, электроэрозионной установки с дополнительной оснасткой (ванной с раствором, генератором, прошивочной головкой).
Для поддержания конкурентоспособности продукции важно применять новые технические решения и стремиться к повышению как эксплуатационных, так и точностных характеристик. С целью увеличения надежности и скорости обработки начат цикл испытаний новой модели обрабатывающего центра. Применение прецизионных механических компонент и усиленной конструкции позволит на порядок повысить точность позиционирования (до 0,2 мкм) и обеспечит жесткость, необходимую для обработки черных металлов. Компактное исполнение, защита оператора и узлов станка от отходов производства, использование смазочно-охлаждающей жидкости – все это делает обрабатывающий центр эффективным производственным оборудованием для наноиндустрии. Станок ATCNano успешно используется в Центре молодежного инновационного творчества "Нанотехнологии" на мастер-классах для школьников и студентов по фрезерно-гравировальной обработке материалов. Таким образом, высокоточная обработка в нанометровом диапазоне становится реальностью уже сейчас.
В компании "Центр перспективных технологий" станок ATCNano изготавливает детали и комплектующие для усовершенствованного СЗМ "ФемтоСкан" и биосенсора на вирус гриппа А и E.coli в рамках проекта "Разработка сенсорных технологий молекулярной диагностики для персонифицированной медицины" при финансовой поддержке Минобрнауки РФ (проект № 02.G25.31.0135).
Технические характеристики станка ATCNano указаны на сайтах http://atcindustry.ru и http://www.2ETechnologies.com.
Авторы благодарны Фонду содействия инновациям (проект № ГЦМИТ1/16315) за поддержку.
ЛИТЕРАТУРА
Джексон М.Дж. Нанонаука и нанотехнологии: Механическая обработка в наномасштабе // Энциклопедия систем жизнеобеспечения. – Организация Объединенных Наций по вопросам образования, науки и культуры. Издательство ЮНЕСКО, издательство EOLSS, М.: ИД "Магистр-ПРЕСС", 2011. C. 310–387.
Яминский Д., Яминский И. Эталон нанометра // Наноиндустрия. 2009. № 4. C. 44–45.
Мешков Г., Синицына О., Яминский Д., Яминский И. Динамическая измерительная мера "Нанометр" // Наноиндустрия. 2012. № 6(36). C. 40–43.
Сканирующая зондовая микроскопия также позволяет обрабатывать материалы различными методами нанолитографии. Достигается это как механическим, так и электрическим воздействием на будущее изделие со стороны зонда – кантилевера. Точность обработки может составлять доли нанометра. Точность позиционирования рисунка также находится в нанометровом диапазоне. Температурный дрейф, достигаемый без использования дополнительных систем термостабилизации, может составлять единицы нанометра в минуту. Пример нанолитографии, выполненной с помощью метода локального анодного окисления, представлен на рис.1.
Разработанный НПП "Центр перспективных технологий" сканирующий зондовый микроскоп (СЗМ) "ФемтоСкан" оборудован системой точного перемещения образца в диапазоне 15–25 мкм. При этом минимальный шаг пьезокерамического манипулятора составляет около 0,001 нм. Дополнительное 3D-позиционирование осуществляется с помощью механической системы скольжения с использованием шаговых двигателей и редукторов. Диапазон позиционирования по осям OХ и OY составляет около 10 мм, минимальный шаг перемещения – 50 нм. Диапазон перемещения по оси OZ – около 8 мм, минимальный шаг – 25 нм.
Если в СЗМ традиционно используется трехкоординатное сканирование с перемещением образца или иглы по осям XYZ, то в современных обрабатывающих центрах реализуется перемещение по 3–9 осям. Точность обработки может достигать единицы нанометра. Например, такую точность обеспечивает электроискровой станок японского концерна Sodick, являющегося безусловным лидеров в данном направлении. Достижения в области механической обработки в наномасштабе приведены в обзорной публикации Марка Дж.Джексона [1].
Проверку качества обработки можно проводить как оптическими методами сверхвысокого разрешения, так и с помощью сканирующей зондовой микроскопии, которая фактически позволяет выполнять измерения с точностью до расположения отдельных атомов. Метрология нанометрового масштаба развивается быстрыми темпами [2, 3].
Все большую популярность набирают малогабаритные обрабатывающие комплексы с числовым программным управлением (ЧПУ). Такое оборудование незаменимо, когда требуется высокая точность, повторяемость, мобильность и многофункциональность. Благодаря переходу от ручного управления к компьютерному моделированию и использованию новых технологий в области изготовления прецизионного мелкодисперсионного инструмента из карбида кобальта, стала возможной скоростная силовая обработка на скоростях до 100 тыс. об/мин даже таких материалов, как закаленные стали и чугун. Малогабаритный обрабатывающий комплекс ATCNano сконструирован как доступное решение в области обработки материалов силовым методом или с использованием лазерных и электроискровых модулей для учебных заведений, НИИ и коммерческого использования. Для многомерной обработки разработан и испытан глобусный стол с дополнительными двумя осями вращения детали, а программная точность в 4 мкм позволяет изготавливать высокоточные изделия для прототипирования, модели для ювелирной продукции и высокоточного машиностроения (лопатки турбин, блоки высокого давления и т.д.).
Возможности многоосевого комплекса дополнительно расширяются благодаря универсальности платформы – возможно использование как шпинделя для силовой многокоординатной обработки, так и модулей для лазерной гравировки, резки, электроэрозионной установки с дополнительной оснасткой (ванной с раствором, генератором, прошивочной головкой).
Для поддержания конкурентоспособности продукции важно применять новые технические решения и стремиться к повышению как эксплуатационных, так и точностных характеристик. С целью увеличения надежности и скорости обработки начат цикл испытаний новой модели обрабатывающего центра. Применение прецизионных механических компонент и усиленной конструкции позволит на порядок повысить точность позиционирования (до 0,2 мкм) и обеспечит жесткость, необходимую для обработки черных металлов. Компактное исполнение, защита оператора и узлов станка от отходов производства, использование смазочно-охлаждающей жидкости – все это делает обрабатывающий центр эффективным производственным оборудованием для наноиндустрии. Станок ATCNano успешно используется в Центре молодежного инновационного творчества "Нанотехнологии" на мастер-классах для школьников и студентов по фрезерно-гравировальной обработке материалов. Таким образом, высокоточная обработка в нанометровом диапазоне становится реальностью уже сейчас.
В компании "Центр перспективных технологий" станок ATCNano изготавливает детали и комплектующие для усовершенствованного СЗМ "ФемтоСкан" и биосенсора на вирус гриппа А и E.coli в рамках проекта "Разработка сенсорных технологий молекулярной диагностики для персонифицированной медицины" при финансовой поддержке Минобрнауки РФ (проект № 02.G25.31.0135).
Технические характеристики станка ATCNano указаны на сайтах http://atcindustry.ru и http://www.2ETechnologies.com.
Авторы благодарны Фонду содействия инновациям (проект № ГЦМИТ1/16315) за поддержку.
ЛИТЕРАТУРА
Джексон М.Дж. Нанонаука и нанотехнологии: Механическая обработка в наномасштабе // Энциклопедия систем жизнеобеспечения. – Организация Объединенных Наций по вопросам образования, науки и культуры. Издательство ЮНЕСКО, издательство EOLSS, М.: ИД "Магистр-ПРЕСС", 2011. C. 310–387.
Яминский Д., Яминский И. Эталон нанометра // Наноиндустрия. 2009. № 4. C. 44–45.
Мешков Г., Синицына О., Яминский Д., Яминский И. Динамическая измерительная мера "Нанометр" // Наноиндустрия. 2012. № 6(36). C. 40–43.
Отзывы читателей
