Машински факултет Београд Катедразапроизводно машинство МАШИНЕ АЛАТКЕ и РОБОТИ НОВЕ ГЕНЕРАЦИЈЕ АН-9

Transcript

1 Машински факултет Београд Катедразапроизводно машинство МАШИНЕ АЛАТКЕ и РОБОТИ НОВЕ ГЕНЕРАЦИЈЕ АН-9 Мезо и микромашине МАШИНЕ АЛАТКЕ И РОБОТИ НОВЕ ГЕНЕРАЦИЈЕ 2012 АН-9 Мезо и микромашине АР-3 Примери мезо и микромашина МАШИНЕ АЛАТКЕ И РОБОТИ НОВЕ ГЕНЕРАЦИЈЕ

2 Увод У протеклом времену није била уобичајено да се инжењерски развијају и праве мале и све мање машине, јер мањих од часовничарских и алата за њих обично није било потребно. Сада је мода Стара знања приказати у новом руху или нова интерпретација старих знања. Механичка обрада (класика) + нове технологије обраде или комбинација различитих технологија обраде Колико мало је МАЛО? Од МАКРО до нано света МОСТОВИ ПУЖЕВИ КОСА ВИРУС АВИОНИ ПИРИНАЧ ПРАШИНА ЈЕЗГРО ЧОВЕК МРАВИ ПОЛЕН ПРОТЕИНИ ПТИЦЕ... ДЕЛОВИ САТА ПЕСАК... ЋЕЛИЈА БАКТЕРИЈА

3 Увод машине алатке м/ производи Мезо/Микро Микро-обрадаобрада Шта је то? Производња производа са следећим карактеристикама: делови око 10 m до око 10 mm садрже врло сложене 3D (free-form) form) површине коришћење врло широког опсега различитих материјала ултрапрезицни делови Производња се обавља: Ултрапрецизним машинама Минијатуризованим машинама и процесима Mикрофабрикама AIST - Japan Микро-струг Део добијен ултрапрецизним микро ливњем бризгањем IPA Stuttgart - Germany Desktop Microfactory 3

4 Технологије Сада се говори и све ће се више говорити о другим технологијама: Информационе технологије, којима је почела прва технолошка револуција средином двадестог века. Она је иунапредилаи(прву) индустријску револуцију, па су нам на располагању нумерички управљане машине алатке, дигиталне технологије итд. Микро и нанотехнологије, којима је почела друга технолошка револуција почетком овог века. Одвија се мултидисциплинарно, са извесним учешћем и производног машинства. Биотехнологије и биоинжењеринг. Израда производа методима додавања материјала. Технологије нових материјала итд. НУ глодалица (1950) Питања: Од свега поменутог на овом курсу се разматра само нова генерација машина алатки за мезо и микрообраду. У вези са тим овде ће бити обрађене само ове две теме (питања): 11. Концепције мезо и микро машина алатки 12. Примери мезо и микро машина алатки 4

5 КОНЦЕПЦИЈЕ МЕЗО И МИКРО МАШИНА АЛАТКИ Спирала развоја м/ За нови производ комлетира се технологија за њега! За ту технологију се бирају или праве НОВЕ машине алатке ако нема адекватних! Технологијe Нове МА НОВИ производ (M/ 5

6 Тачност технологија новијег времена T1: класична технологија (тачност обраде изнад 10 m) Т2: Прецизна технологија (тачност обраде 0.01 do 10 m) Т3: ултрапрецизна технологија (тачност обраде испод 0.01 m) МАШИНЕ АЛАТКЕ И РОБОТИ НОВЕ ГЕНЕРАЦИЈЕ 2012 Машине за технологије новијег времена T1: класична технологија (ТО изнад 10 m) машине за обраду резањем (стругови, глодалице, брусилице, са и без НУ) Т2: Прецизна технологија (ТО 0.01 do 10 m) машине за брушење сочива, за прецизно брушење, за суперфиниш, за стругање дијамантским алатима итд. Т3: Ултрапрецизна технологија (ТО испод до 0.01 m) литографија, разне обраде млазом, ~преслагивање атома у атомској решетки,... 6

7 Израда делова? м/ Смањивање габарита производа смањивање габарита машина (МИНИЈАТУРИЗАЦИЈА) Мали делови се не израђују на великим машинама уз повећану пажњу Мали делови коју су 10 к мањи од уобичајених, требадасеизрађујуса10 к већом тачношћу Два приступа м/ На великим машинама правити мезо/микро (м/ ) делове (прелазна варијанта) На новим мезо-микро машинама правити мезо/микро (м/ ) делове. 7

8 Минијатуризација кроз време на примеру рачунара величина 10 6 мања јачина 10 6 већа ENIAC први компјутер из 1946 Lap-top компјутер из 1996 Величина: 10 8 мања Јачина: 10 8 већа... Спектакуларна минијатуризација за само 50 година!!! Palm-top компјутер из 2000 Компјутер 386 hard disk око 120 MB Меморија у виду флеша величине и мање од паковања жвака мобилни телефон некад мобилни телефон данас 8

9 ПОСЛЕДИЦЕ МИНИЈАТУРИЗАЦИЈЕ САДАШЊА ПРАКСА Карактеристике производне опреме део 5 mm Несразмеран однос између обратка и машине УМЕСТО Машина 250 mm (иличакимање) Машина 2 m Скалирање Минијатуризација машина алатки Делове малих запремина је боље радити на одговарајућим малим машинама Мале машине заузимају мало простора и имајумањесталнетрошкове Мале машине троше много мање енергије и мање загађују околину Радни простор малих машина је око 1 dm 3 и мање од тога Тренутно стање у погледу тачности минијатуризованих машина алатки је око 0.1 до 10 микрона 9

10 Предности и недостаци неких процеса микрообраде Параметар Принцип ЈР Дебљина Ширина Мек МТ Тврд крт Мех. деф. А/RP ЗН ОР ДФ Сила Топљење Испаравање Одсецање Растварање Легенда: ЈР: јединица материјала одвојена у јединици времена, МТ: главне особине материјала, ОР: Особине обрађених површи, ЗН: заостали напони, ДФ: дефектни слој. ++ повољно, + условно добро, - неповољно Главни методи микрообраде 10

11 људска шака зрнце песка људска влас косе штампана плоча микро машинске компоненте чип интегрисаног кола Градација габарита у технологији Скала логаритамска од 0.1nm до 1m 1 angstrem = 0.1 nm 1 nm = 10-9 m честица дима DNA ланац транзистор у интегрисаном колу структура у квантној електроници Атом означавање помоћу електронског микроскопа Класификација величина Ref: W.Eversheim, F.Klocke, T.Pfeifer and M.Weck, Manufacturing Excellence in Global Markets, Chapman & Hall,

12 Принцип електрообликовања специјализовано коришћење електролизе за израду металних делова материјали: бакар, никл, гвожђе, сребро дебљина наноса: 15 мм тачност: 1 m Ra: 0.05 m електрообликовање или електрокалуповање Пример израде електроде електрообликовањем електрода пуњење лакотопљивом и проводном легуром модел Ово је пример израде електроде за електроерозиону обраду 12

13 LIGA метод обраде Развијен у Немачкој Комбинација литографије, електрообликовања и бризгања пластичних материјала. Dr. Bruce K. Gale Fundamentals of Microfabrication, Introduction to the LIGA Microfabrication Process LIGA метод обраде маска Добијени део од полимера Електрообликовање Масовна производња бризгањем пластике одвојени метални калуп добијени део од пластике 13

14 Категорије микропроизвода Дефиниција микро производа Микро производ је сваки производ чији су функционални елементи у рангу 1μm, без обзира на његов стварни габарит. 14

15 Технологије за израду микро производа по принципу рада Принцип механичка сила Топљење Испаравање Одвајање Плас. деформ. Додавање Спајање Методи Одвајање: Резање, брушење, распрашивање, ултразвучна обрада Пластично деформисање: Ваљање, дубоко извлачење, ковање, просецање и пробијање. Спајање: Ултразвучно, хладно заваривање притиском. Одвајање: Електроерозиона обрада, Обрада ласером, обрада електронским млазом. Додавање: CVD, PVD. Спајање: Заваривање (електроотпорно, ласерско), топљење (електроотпорно, ласерско, вакуумско), лепљење. Одсецање Растварање Ласерским снопом (импулсна обрада). ЕСМ, изотропско и анизотропско нагризање, реактивно јонско нагризање Очвршћавање Ливење, бризгање. Преуређивање Електрообликовање, хемијско наношење превлака. Полимеризација Раслојавање Додавање: Стереолитографија, фотообликовање, наношење полимера. Спајање: Лепљење. Синтеровање Комбиновање механичких и термичких принципа Зашто Микро-обрада обрада? Штедња у простору енергији матероијалу цени Смањење вибрација и буке загађења животне средине Повећање продуктивности брзине резања (мања инерција) тачности и прецизности преносивости 15

16 Системски захтеви за микро-обраду обраду Топлотна и механичка стабилност гранитна база, подешавање пригушења, аеростатичке технологије Најмања могућа трења, без зазора aаеростатичке вођице, директни погони без преносника Највећа тачност позиционирања висока резолуција мерних система, високе перформансе управљања Најмањамогућадевијацијапутање брзо управљање, прорачун путање са нанометарском тачношћу Аутоматско подешавање и калибрација интегрисани систем сензора, циклуси за обраду прилагођени микро обради, систем за мерење Флексибилно програмирање примена CAM система, параметарско програмирање, примена математичких real-time функција, управљање отворене архитектуре Шеме Механичка сила: одвајање Микро стругање, бушење, глодање Обрада на ултрапрецизним машинама Обрада на минијатуризованим машинама Познати проблеми алати за микро обраду критична дубина резање за формирање струготине повећање отпора резања извијање алата 16

17 Пластично деформисање: Примери микро производа Miкro завртњи микро ваљање Вратило преносника микро екструдирање Пинови микро истискивање опруге микро савијање делови за сатове Mикро-пробијање/просецање делови за сатове Mикро-извлачење Домени у равни прецизност-габарит Микро Електро Машински Системи Домен мезо технологија и опреме зе њих 17

18 Домени микро/мезо у машинству Микро Електро Машински Системи габарит објекта: m релат. тачн: mm Обично минијатуризацијом технологија и опреме за њих Нано Електро Машински Системи Релација између габарита обратка и машине алатке обрадног система Један од приступа је конципирање микро фабрика, а самимтими одговарајућих мезо и микро машина алатки Опрема је и до пута већа од обратка Типична технолошка опрема покрива домен објеката запремине 10 6 mm 3 (до 10 3 mm 3, одн. 1 литра) 18

19 Мезо и микро машине алатке се први пут помињу у задњој деценији 20. века ПРИМЕРИ МЕЗО И МИКРО МАШИНА АЛАТКИ Примери мезо и микро машина Концепција машине за брзу израду прототипова термохемијским таложењем Концепција једне комбиноване нано машине Концепција мезо машине алатке Неки подсистеми мезо и микро машина алатки Једновиђењебудућемикрофабрике Пример једне микро фабрике Пример прототипа једне стоне реконфигурабилне машине алатке 19

20 Концепција машине за брзу израду прототипова (алата) термохемијским таложењем 1: из млазника струји течни реагенс 2: на собној Т долази у контакт са загрејаном подлогом и већ наталоженим реагенсом 3: таложење се остварује слој по слој 4: осама X,Y комплетрира се један слој 5: оса Z позиционира нови слој 6: радна реакциона комора је стално под притиском и проветрава се 7: програмирање на бази STL фајла Концепција једне комбиноване нано машине Обрада на наномашини на бази AFM АFM: Atomic Force Microscope дубина резања неколико nm Обрада на ултрапрецизном стругу дубина резања око 5 m 20

21 Структура система комбиноване наномашине са додатним столом каодасе микроскоп користи за скенирање испитиване површи радна кретања на машини врши додата платформа по све три осе (X,Y,Z). Троосни носач обратка Турбински погон главног вретена Прототип једне троосне мезо машине алатке 21

22 Прототип једне троосне мезо машине алатке брзина резања: 200 m/min пречник алата: μm број обрта вретена:125, ,000 rpm силе резања: 100 mn габарити машине: 250х250х250 mm Тестбед мезо машине алатке има 3 подсистема: 1) подсистем погона главног вретена 2) Систем који обезбеђује релативно поерање А/RP 3) подсистем за мониторинг процеса резања алат током обраде мирује и изводи само главно обртно кретање алат има могућност транслаторног померања током измене алата и поновног позиционирања у позицију за резање кретања у X,Y и Z правцу током обраде остварује обрадак Mезо машина алатка габарити машине 270х190х220 mm радни простор 30х30х30mm број обрта вретена: min -1 Има пет основних подсистема: подсистем за прецизно позиционирање подсистем за довод ваздуха вретену, подсистем за управљање подсистем микро алата, 3-компонентни сензор силе 22

23 ретрорефлектор процесор сензор температуре материјала ласерска глава сензор температуре ваздуха аквизициони систем Распоред опреме и сензора која обезбеђује потребну тачност позиционирања захваљујући мерењу грешака, анализи грешака и компензацији Примери обрађених делова на мезо машини алатки 23

24 Неки карактеристике подсистема мезо и микро машина алатки Мали габарит искључује комплет преносник-актуатор користе се: звучни електромагнети и пиезоелектрични мотори као актуатори као погон главног вретена користе се ваздушне турбине мерни системи су примерени захтеваној реалтивној тачности Принцип рада мотора типа звучног електромагнета Лоренцова сила на проводнику Индукција у покретном проводнику Код ових мотора се користи Лоренцова сила као погон! 24

25 Пример транслаторног погона Легенда: 1 Језгро од меког гвожђа, 2 Цилиндар од меког гвожђа, 3 Стални магнет, 4 Намотај. Магнетно поље је оријентисано радијално, Магнетно поље се затвара кроз цилиндар 2 ијезгроод меког гвожђа 1. Напајањем намотаја 4 у таквом магнетном пољу генерише се аксијална сила F, F је вучна сила овог транслаторног мотора. Овакви погони имају велико убрзање, не греју се много, нису много бучни, имају дуг век, нису скупи. Пример транслаторног погона Легенда: 1 Језгро од меког гвожђа, 2 Цилиндар од меког гвожђа, 3 Стални магнет, 4 Намотај. звучни електромагнети 25

26 Пример транслаторног погона звучни електромагнети Пиезоелектрични ефекат Пиезоелектрични ефект је појава стварања електричног напона на крајевима пиезоелектричног кристала при механичком притиску на њега. Супротан случај је кад се на кристал доведе напон - тада долази до његове механичке деформације. Овај ефекат се користи за транслаторне и обртне пиезоелектричне моторе! 26

27 Пиезолектрични мотори Пеиезоелетрични мотор често иде упаруса фрикционим актуатором, да би се осцилаторно кретање пиезокристалне групе претворилоу транслаторно или обртно усмерено кретање. Принцип рада обртног пиезо мотора Општи принцип рада заснива се на генерисању механичког померања кроз деформације активног пиезо материјала којим се изазива обртно кретање ротора помоћу деформације статора захваљујући контакту и трењу између статора и ротора. РОТОР СТАТОР путовање таласа 27

28 Специфични погони помоћу пиезоелектричних елемената Специфични погони за мезо/микро микро машине алатке 28

29 Ултра брзо аеростатички улежиштено вретено погоњено DC мотором аксијални лежај Микро фабрика?! From Photonics Spectra,

30 Појава парадигме микрофабрике mmt Једно стилизовано виђење будуће микро фабрике Material flow grid line Plug-in Control signal leg Air power leg Electric power leg Material transport layer Air power layer mmt Workpiece Control signal/ Electrical power layer Могући концепт будуће микрофабрике Скалирање фабрике Стона (десктоп) фабрика у Јапану (DTF) Стона глодалица са вретеном које има до 300,000 о/мин брзину помоћног кретања-убрзање са линеарним моторима: 400 mm/s G 2000 Предности: Штедња енергије и материјала, лака преносивост, лакше за одржавање и чишћење, већа тачност, лакша контрола температуре, људи су изван фабрике и чистог простора, јефтиније. Проблеми: технолошке препреке, масовна производња, како обезбедити квалитет 30

31 Пример једне микрофабрике микро фабрика стона преносна Садржи микромашине: струг, глодалицу, пресу, руку са два прста и манипулатор Мере: 625х490х380 mm маса: 34 kg Камером се снима процес на свакој машини. Пример прототипа једне стоне реконфигурабилне машине алатке 31

32 Карактеристике Погон брзоходног главног вретена је ваздушна турбина са о/min и снаге око 20W. Користи се за обраду глодањем, бушењем, брушењем итд. Пиезоелектрична глава има померај од 20 μm и фреквенцу од 5kHz. Користи се за електроерозиону и електрохемијску обраду. Глава са ласером има снагу око 120 W. Користи се за обраду ласером и за третирање ласером. Реконфигурисање машине за серију три технологије 1) Израда бакарне електроде глодањем; (2) Израда удубљења електроерозијом помоћу тако направљене електроде (3) Завршна обрада тако направљеног удубљења. 32

33 Резиме Обрађене су две теме: 11. Концепције мезо и микро машина алатки 12. Примери мезо и микро машина алатки Са овом темом иде и разрада : АР-3 Примери мезо и микромашина Хвала на пажњи! МАШИНЕ АЛАТКЕ И РОБОТИ НОВЕ ГЕНЕРАЦИЈЕ