eng
Выпуск #3/2018
А.Ахметова, А.Федосеев, И.Яминский, Ю.Белов
Центр молодежного инновационного творчества "Нанотехнологии" на физическом факультете МГУ имени М.В.Ломоносова
Центр молодежного инновационного творчества "Нанотехнологии" на физическом факультете МГУ имени М.В.Ломоносова
Просмотры: 1206
Как быстро обучиться 3D-микроскопии и 3D-нанотехнологиям? Надо стать участником Центра молодежного инновационного творчества "Нанотехнологии" и слушателем курсов "3D-проектирование в SolidWorks и механообработка" и "Сканирующая зондовая микроскопия". Современные обрабатывающие центры изготавливают детали с нанометровой точностью, а сканирующие зондовые микроскопы позволяют измерять шероховатость обработанной поверхности с точностью до долей нанометров.
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.83.3.274.277
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.83.3.274.277
Ц
ентр молодежного инновационного творчества (ЦМИТ) "Нанотехнологии" работает на физическом факультете МГУ имени М.В.Ломоносова с 10 декабря 2014 года. Центр оборудован уникальным измерительным и технологическим оборудованием для практических занятий молодых людей. Так, сканирующие зондовые микроскопы "ФемтоСкан" (оборудовано шесть рабочих мест) позволяют увидеть объекты наномира: от атома углерода в решетке графита и частиц вируса табачной мозаики до бактериальной клетки и клеток животных и растений – причем оригинальное программное обеспечение "ФемтоСкан Онлайн" позволяет получать трехмерные изображения.
Для 3D-проектирования и 3D-дизайна применяются различные пакеты программного обеспечения, но наибольшей популярностью в настоящее время пользуется программа SolidWorks, поэтому центром было закуплено 500 официальных лицензий.
За четыре года работы в ЦМИТ "Нанотехнологии" успешно стартовал и эффективно развивается проект по созданию фрезерных обрабатывающих центров. В апреле этого года новая модель станка АТСNano была представлена на Московском международном салоне образования на ВДНХ. Все четыре дня выставки на ATCNano изготавливались детали из алюминия, оргстекла и капролактама (рис.1). В ЦМИТ "Нанотехнологии" установлены три таких станка. Их производство освоено в компании "Энергоэффективные технологии". Отпускная цена одного фрезерного обрабатывающего центра составляет 260 тыс. руб., что значительно ниже цены зарубежных станков при более высоких качестве и технических возможностях АТСNano.
Переход от трех осей обработки к пяти был осуществлен в рамках проекта "Мой первый завод – модульный многофункциональный образовательный центр для прототипирования" на конкурсе "Вовлечение молодежи в инновационную деятельность", поддержанного Фондом содействия инновациям (договор № 9 ГЦМИТ1/16315 от 07 октября 2015 года). В результате проведенной НИОКР была разработана мобильная платформа пятиосевого перемещения для управления обрабатывающими центрами.
За последние два года налажены выпуск и реализация обрабатывающих центров различных модификаций: ATCNano, ATC-400, ATC-3000, ATC-6000, АТС-8000. Их подробные технические характеристики представлены на веб-сайтах www.ATCIndustry.com и www.2ETechnologies.com.
Накопленный научный и производственный потенциал позволяет нам перейти к следующему этапу – созданию интегрированных систем индивидуального мелкосерийного фрезерного производства, включающих не менее десяти различных инструментов в "едином корпусе", что обеспечит снижение стоимости оборудования не менее чем в 2,5 раза по сравнению с имеющимися решениями при сохранении его качества и функционала. Эту задачу ставит перед разработчиками программа "Национальной технологической инициативы".
Программно-аппаратный комплекс для механообработки ориентирован на применение на предприятиях и в опытных конструкторских отделах для организации выпуска мелкосерийной, опытной продукции. Он представляет собой компактный обрабатывающий фрезерный центр с числовым программным управлением, автономным контроллером (без привязки к ПК) и автоматической сменой режущего инструмента для универсального использования в различных циклах и стратегиях механообработки.
Введение в конструкцию силовых литых чугунных элементов в совокупности с использованием метода высокоскоростной обработки резанием позволяет уменьшить общие габариты и вес, что положительно сказывается на организации рабочего места и мобильности при соответствии жестким требованиям к качеству обработки деталей. Все периферийные системы комплекса (охлаждение, подача смазки на подвижные элементы и в зону резания) компактно размещаются с тыльной стороны обрабатывающего центра, являются замкнутыми, не содержат дополнительных емкостей и практически не требуют обслуживания.
Высокая точность и чистота обработанной поверхности достигаются благодаря применению термообработанных линейных направляющих качения и шариковых винтовых передач с повышенной динамической грузоподъемностью, что в совокупности с использованием сервоприводов высокого разрешения позволяет добиться сочетания скорости перемещения и точности позиционирования каждой из осей.
Программное обеспечение поддерживает режим предварительной обработки поверхности заготовки и автоматическую смену инструментальных головок, а также обладает интуитивно понятным интерфейсом и возможностью подключения дополнительных поворотных осей для непрерывной многоосевой обработки изделий сложных форм.
Проект предполагает организацию серийного производства обрабатывающих центров с возможностями промышленных комплексов, но недорогих и менее материалоемких.
Для желающих получить практические навыки 3D-механообработки в ЦМИТ "Нанотехнологии" разработан новый курс "3D-проектирование в SolidWorks и механообработка". Программа нацелена на развитие базовых компетенций в области твердотельного параметрического моделирования в системе автоматизированного проектирования SolidWorks, позволяющей учащимся успешно решать поставленные задачи в сфере прототипирования изделий и создания конструкторской документации. С помощью современных программных пакетов проектирования можно эффективно создавать электронные виртуальные модели сложных приборов биомедицинского назначения. Многопараметрический и многосторонний анализ виртуальной модели дает возможность существенно сократить время на последующее создание прототипа и реального продукта, сократить и удешевить весь цикл запуска производства продукции. При этом ключевым становится начальный этап электронного моделирования, поэтому именно ему уделяется основное внимание в рамках данного курса.
С помощью программного обеспечения SolidWorks осваиваются построение 3D-деталей, сборок узлов и конструкций, создание конструкторской документации, инженерный анализ. На следующем этапе, во время прохождения учебного модуля 3D-механообработки, слушатели учатся работать с универсальным программным обеспечением PureMotion для управления станками с ЧПУ, выбирать различные стратегии обработки материалов и редактировать G-код, проводить подготовительные операции (знакомство с техникой безопасности на производстве, выставление заготовок, подбор инструмента и т.д.), работать на фрезерно-гравировальных станках ATCNano, на токарном станке с револьверной головкой и автоматической сменой инструмента "Реабин СТ-4.2", на фрезерном обрабатывающем центре с автосменой инструмента Hurco VMX1, а также обслуживать станки (чистка, смазка, выставление инструмента, юстировка).
Во всех модулях образовательной программы предусмотрены короткие тесты и небольшие самостоятельные работы для регулярной проверки и закрепления навыков, полученных на семинарских занятиях. Эти работы проводятся от двух до пяти раз в каждом из модулей. После полного освоения программы модуля слушатели выполняют личную проектную работу, которая позволяет продемонстрировать полученные знания и навыки. Ниже представлены темы квалификационных работ:
• проектирование и механический анализ детали;
• проектирование и механический анализ сборки;
• проектирование детали "Головка атомно-силового микроскопа" и оформление конструкторской документации;
• проектирование сборки "Головка атомно-силового микроскопа" и оформление конструкторской документации.
На их выполнение отводится три часа самостоятельной работы, а по итогам оцениваются следующие показатели:
• соответствие чертежу / модели геометрических размеров и конфигурации детали, изготовленной по разработанной управляющей программе;
• нахождение в заданном интервале времени производства детали по разработанной УП;
• обеспечение режимами обработки заданных значений допусков и параметров шероховатости.
Затем учащийся изготавливает деталь на станке с ЧПУ по собственной 3D-модели. Работа оценивается по следующим критериям:
• шероховатость поверхности детали;
• качество обработки материала;
• качество исполнения сложных элементов.
Каждая работа оценивается по пятибалльной системе, слушатели получают сертификаты МГУ имени М.В.Ломоносова об окончании курса. Общая продолжительность курса – 54 ч в течение трех месяцев. Стоимость обучения – 55 тыс. руб.
"3D-проектирование в SolidWorks и механообработка" – не единственный курс в ЦМИТ "Нанотехнологии". В центре успешно проводится курс по 3D-микроскопии – сканирующей зондовой микроскопии, являющейся главным инструментом экспериментальных нанотехнологий, который построен на базе сканирующих зондовых микроскопов "ФемтоСкан" [1, 2] и программного обеспечения "ФемтоСкан Онлайн" [3]. Срок обучения – три месяца, интенсивность – 54 ч, стоимость обучения – 55 тыс. руб. В рамках этого курса слушатели не только научатся работать на сканирующем зондовом микроскопе, получая изображения атомов и молекул, вирусов и бактерий, поверхности материалов и живых клеток, но и узнают, как сделать сканирующий зондовый микроскоп своими руками. Все учащиеся, успешно прошедшие курс по сканирующей зондовой микроскопии, бесплатно получают комплект программного обеспечения "ФемтоСкан Онлайн".
Как видно из рис.3, сканирующий зондовый микроскоп "ФемтоСкан" позволяет получать трехмерные изображения вирусов и бактерий. На занятиях по зондовой микроскопии слушатели узнают, например, что вирус табачной мозаики можно использовать как стандарт высоты или что с его помощью можно создавать наночастицы металлов заданного размера и формы [4].
Ждем вас в Центре молодежного творчества "Нанотехнологии" на физическом факультете МГУ по адресу: Москва, Ломоносовский пр-т, д. 35.
Дополнительную информацию можно получить в Отделении дополнительного образования физического факультета МГУ (http://dopobr.phys.msu.tilda.ws, тел.: +7 916 3137579) и в ЦМИТ "Нанотехнологии" (http://www.startinnovation.com, тел.: +7 495 9263759).
Выражаем искреннюю благодарность за оказанную финансовую поддержку Фонду содействия инновациям (проект 16315–2015), Департаменту науки, промышленной политики и предпринимательства Правительства Москвы, Министерству экономического развития Российской Федерации (Договор № 8/3-63ин-16 от 22.08.2016).
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
1. Dudnik A., Fedoseev A., Yaminsky I. Atomic force microscopy and 3D technology for school children. NANOINDUSTRY. 2015. No. 3(57). P. 86-90.
2. Akhmetova A.I., Yaminsky I.V. 20 years since FemtoScan shows atoms. NANOINDUSTRY. 2017. No. 2(72). P. 88–89.
3. Yaminsky I., Filonov A., Sinitsyna O., Meshkov G. FemtoScan Online software. NANOINDUSTRY. 2016. No. 2(64). P. 42–46.
4. Love A.J., Makarov V., Kalinina N.O., Yaminsky I. and Taliansky M.E. The use of tobacco mosaic virus and cowpea mosaic virus for the production of novel metal nanomaterials. Virology, 449:133–139, 2014.
1 Физический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова (Москва, Россия) / Faculty of Physics of Lomonosov Moscow State University (Moscow, Russia).
2 Центр перспективных технологий (Москва, Россия) / Advanced Technologies Center (Moscow, Russia).
ентр молодежного инновационного творчества (ЦМИТ) "Нанотехнологии" работает на физическом факультете МГУ имени М.В.Ломоносова с 10 декабря 2014 года. Центр оборудован уникальным измерительным и технологическим оборудованием для практических занятий молодых людей. Так, сканирующие зондовые микроскопы "ФемтоСкан" (оборудовано шесть рабочих мест) позволяют увидеть объекты наномира: от атома углерода в решетке графита и частиц вируса табачной мозаики до бактериальной клетки и клеток животных и растений – причем оригинальное программное обеспечение "ФемтоСкан Онлайн" позволяет получать трехмерные изображения.
Для 3D-проектирования и 3D-дизайна применяются различные пакеты программного обеспечения, но наибольшей популярностью в настоящее время пользуется программа SolidWorks, поэтому центром было закуплено 500 официальных лицензий.
За четыре года работы в ЦМИТ "Нанотехнологии" успешно стартовал и эффективно развивается проект по созданию фрезерных обрабатывающих центров. В апреле этого года новая модель станка АТСNano была представлена на Московском международном салоне образования на ВДНХ. Все четыре дня выставки на ATCNano изготавливались детали из алюминия, оргстекла и капролактама (рис.1). В ЦМИТ "Нанотехнологии" установлены три таких станка. Их производство освоено в компании "Энергоэффективные технологии". Отпускная цена одного фрезерного обрабатывающего центра составляет 260 тыс. руб., что значительно ниже цены зарубежных станков при более высоких качестве и технических возможностях АТСNano.
Переход от трех осей обработки к пяти был осуществлен в рамках проекта "Мой первый завод – модульный многофункциональный образовательный центр для прототипирования" на конкурсе "Вовлечение молодежи в инновационную деятельность", поддержанного Фондом содействия инновациям (договор № 9 ГЦМИТ1/16315 от 07 октября 2015 года). В результате проведенной НИОКР была разработана мобильная платформа пятиосевого перемещения для управления обрабатывающими центрами.
За последние два года налажены выпуск и реализация обрабатывающих центров различных модификаций: ATCNano, ATC-400, ATC-3000, ATC-6000, АТС-8000. Их подробные технические характеристики представлены на веб-сайтах www.ATCIndustry.com и www.2ETechnologies.com.
Накопленный научный и производственный потенциал позволяет нам перейти к следующему этапу – созданию интегрированных систем индивидуального мелкосерийного фрезерного производства, включающих не менее десяти различных инструментов в "едином корпусе", что обеспечит снижение стоимости оборудования не менее чем в 2,5 раза по сравнению с имеющимися решениями при сохранении его качества и функционала. Эту задачу ставит перед разработчиками программа "Национальной технологической инициативы".
Программно-аппаратный комплекс для механообработки ориентирован на применение на предприятиях и в опытных конструкторских отделах для организации выпуска мелкосерийной, опытной продукции. Он представляет собой компактный обрабатывающий фрезерный центр с числовым программным управлением, автономным контроллером (без привязки к ПК) и автоматической сменой режущего инструмента для универсального использования в различных циклах и стратегиях механообработки.
Введение в конструкцию силовых литых чугунных элементов в совокупности с использованием метода высокоскоростной обработки резанием позволяет уменьшить общие габариты и вес, что положительно сказывается на организации рабочего места и мобильности при соответствии жестким требованиям к качеству обработки деталей. Все периферийные системы комплекса (охлаждение, подача смазки на подвижные элементы и в зону резания) компактно размещаются с тыльной стороны обрабатывающего центра, являются замкнутыми, не содержат дополнительных емкостей и практически не требуют обслуживания.
Высокая точность и чистота обработанной поверхности достигаются благодаря применению термообработанных линейных направляющих качения и шариковых винтовых передач с повышенной динамической грузоподъемностью, что в совокупности с использованием сервоприводов высокого разрешения позволяет добиться сочетания скорости перемещения и точности позиционирования каждой из осей.
Программное обеспечение поддерживает режим предварительной обработки поверхности заготовки и автоматическую смену инструментальных головок, а также обладает интуитивно понятным интерфейсом и возможностью подключения дополнительных поворотных осей для непрерывной многоосевой обработки изделий сложных форм.
Проект предполагает организацию серийного производства обрабатывающих центров с возможностями промышленных комплексов, но недорогих и менее материалоемких.
Для желающих получить практические навыки 3D-механообработки в ЦМИТ "Нанотехнологии" разработан новый курс "3D-проектирование в SolidWorks и механообработка". Программа нацелена на развитие базовых компетенций в области твердотельного параметрического моделирования в системе автоматизированного проектирования SolidWorks, позволяющей учащимся успешно решать поставленные задачи в сфере прототипирования изделий и создания конструкторской документации. С помощью современных программных пакетов проектирования можно эффективно создавать электронные виртуальные модели сложных приборов биомедицинского назначения. Многопараметрический и многосторонний анализ виртуальной модели дает возможность существенно сократить время на последующее создание прототипа и реального продукта, сократить и удешевить весь цикл запуска производства продукции. При этом ключевым становится начальный этап электронного моделирования, поэтому именно ему уделяется основное внимание в рамках данного курса.
С помощью программного обеспечения SolidWorks осваиваются построение 3D-деталей, сборок узлов и конструкций, создание конструкторской документации, инженерный анализ. На следующем этапе, во время прохождения учебного модуля 3D-механообработки, слушатели учатся работать с универсальным программным обеспечением PureMotion для управления станками с ЧПУ, выбирать различные стратегии обработки материалов и редактировать G-код, проводить подготовительные операции (знакомство с техникой безопасности на производстве, выставление заготовок, подбор инструмента и т.д.), работать на фрезерно-гравировальных станках ATCNano, на токарном станке с револьверной головкой и автоматической сменой инструмента "Реабин СТ-4.2", на фрезерном обрабатывающем центре с автосменой инструмента Hurco VMX1, а также обслуживать станки (чистка, смазка, выставление инструмента, юстировка).
Во всех модулях образовательной программы предусмотрены короткие тесты и небольшие самостоятельные работы для регулярной проверки и закрепления навыков, полученных на семинарских занятиях. Эти работы проводятся от двух до пяти раз в каждом из модулей. После полного освоения программы модуля слушатели выполняют личную проектную работу, которая позволяет продемонстрировать полученные знания и навыки. Ниже представлены темы квалификационных работ:
• проектирование и механический анализ детали;
• проектирование и механический анализ сборки;
• проектирование детали "Головка атомно-силового микроскопа" и оформление конструкторской документации;
• проектирование сборки "Головка атомно-силового микроскопа" и оформление конструкторской документации.
На их выполнение отводится три часа самостоятельной работы, а по итогам оцениваются следующие показатели:
• соответствие чертежу / модели геометрических размеров и конфигурации детали, изготовленной по разработанной управляющей программе;
• нахождение в заданном интервале времени производства детали по разработанной УП;
• обеспечение режимами обработки заданных значений допусков и параметров шероховатости.
Затем учащийся изготавливает деталь на станке с ЧПУ по собственной 3D-модели. Работа оценивается по следующим критериям:
• шероховатость поверхности детали;
• качество обработки материала;
• качество исполнения сложных элементов.
Каждая работа оценивается по пятибалльной системе, слушатели получают сертификаты МГУ имени М.В.Ломоносова об окончании курса. Общая продолжительность курса – 54 ч в течение трех месяцев. Стоимость обучения – 55 тыс. руб.
"3D-проектирование в SolidWorks и механообработка" – не единственный курс в ЦМИТ "Нанотехнологии". В центре успешно проводится курс по 3D-микроскопии – сканирующей зондовой микроскопии, являющейся главным инструментом экспериментальных нанотехнологий, который построен на базе сканирующих зондовых микроскопов "ФемтоСкан" [1, 2] и программного обеспечения "ФемтоСкан Онлайн" [3]. Срок обучения – три месяца, интенсивность – 54 ч, стоимость обучения – 55 тыс. руб. В рамках этого курса слушатели не только научатся работать на сканирующем зондовом микроскопе, получая изображения атомов и молекул, вирусов и бактерий, поверхности материалов и живых клеток, но и узнают, как сделать сканирующий зондовый микроскоп своими руками. Все учащиеся, успешно прошедшие курс по сканирующей зондовой микроскопии, бесплатно получают комплект программного обеспечения "ФемтоСкан Онлайн".
Как видно из рис.3, сканирующий зондовый микроскоп "ФемтоСкан" позволяет получать трехмерные изображения вирусов и бактерий. На занятиях по зондовой микроскопии слушатели узнают, например, что вирус табачной мозаики можно использовать как стандарт высоты или что с его помощью можно создавать наночастицы металлов заданного размера и формы [4].
Ждем вас в Центре молодежного творчества "Нанотехнологии" на физическом факультете МГУ по адресу: Москва, Ломоносовский пр-т, д. 35.
Дополнительную информацию можно получить в Отделении дополнительного образования физического факультета МГУ (http://dopobr.phys.msu.tilda.ws, тел.: +7 916 3137579) и в ЦМИТ "Нанотехнологии" (http://www.startinnovation.com, тел.: +7 495 9263759).
Выражаем искреннюю благодарность за оказанную финансовую поддержку Фонду содействия инновациям (проект 16315–2015), Департаменту науки, промышленной политики и предпринимательства Правительства Москвы, Министерству экономического развития Российской Федерации (Договор № 8/3-63ин-16 от 22.08.2016).
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
1. Dudnik A., Fedoseev A., Yaminsky I. Atomic force microscopy and 3D technology for school children. NANOINDUSTRY. 2015. No. 3(57). P. 86-90.
2. Akhmetova A.I., Yaminsky I.V. 20 years since FemtoScan shows atoms. NANOINDUSTRY. 2017. No. 2(72). P. 88–89.
3. Yaminsky I., Filonov A., Sinitsyna O., Meshkov G. FemtoScan Online software. NANOINDUSTRY. 2016. No. 2(64). P. 42–46.
4. Love A.J., Makarov V., Kalinina N.O., Yaminsky I. and Taliansky M.E. The use of tobacco mosaic virus and cowpea mosaic virus for the production of novel metal nanomaterials. Virology, 449:133–139, 2014.
1 Физический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова (Москва, Россия) / Faculty of Physics of Lomonosov Moscow State University (Moscow, Russia).
2 Центр перспективных технологий (Москва, Россия) / Advanced Technologies Center (Moscow, Russia).
Отзывы читателей
