HA9.1 Програмске целине за лакше дефинисање програма предмета ПРО220Н007-0331.0000 Машине алатке и роботи нове генерације, део први: Машине алатке нове генерације: NMA1 Сага о машинама алаткама и технолошким системима нове генерације; NМА2 Реконфигурабилне машине алатке и технолошки системи; NMA3 Брзоходни обрадни системи ; NMA4 Обрадни системи за агилне технологије; NMA5 Обрадни системи за вишеосну обраду; NMA6 Машине алатке за микротехнологије; NMA7 Обрадни системи високе тачности; NMA8 Машине алатке са паралелном кинематиком; NMA9 Ресурси за развој машина алатки. Студенту ће на крају овог курса остати стечено знање и елаборат са подсетником шта је још могао научити. Универзитет у Београду Шифра предмета: ПРО220Н007-0331.0000 Машински факултет Статус предмета: Изборни, 2.5.5 Катедра за производно машинство http://cent.mas.bg.ac.rs/nastava/ma_bsc/indexnma.htm Предмет: Машине алатке и Професор: Милош Главоњић роботи нове генерације. Део први: Машине алатке нове генерације. NМА6 МАШИНЕ АЛАТКЕ ЗА МИКРОТЕХНОЛОГИЈЕ АН-9 Мезо и микромашине. Ова тема припада целини NМА6. Подршка за ову тему су: Разрада теме АН-9 на примерима мезо и микромашина, АР-3. Подсетник: ar3_nma.pdf. Трећи тест, ЗТ-4: за теме АН-7, АН-8, АН-9 и АН-10. Овај писани материјал, који је припремљен тачно за ову тему, ha9nma.pdf. Допунски материјал, који је расположив на сајту предмета, SP9.1. Самостално прибављена литература. Посматрањем историје радне тачности у обради резањем и типичних обрадних система по величини радног простора и остваривој радној тачности издвајају се домени мезо и микромашина. Уводе се два критеријума за класификацију таквих машина: релативна тачност и искоришћеност радног простора. Постављају се пројектни параметри мезомашина на основу потребних брзина и пресека струготине у обради резањем обрадака са габаритима за макромашине и за мезомашине. Анализира се и коришћење макромашина за обраде делова малог габарита, а високог квалитета. Постављају се фрагменти метода за постизање сличности макро и мезомашина за један метод обраде. Анализирају се потребни услови за развој, прављење, испитивање и коришћење мезо и микромашина. HA9.1.0 ПРЕДГОВОР Дошло је време када се говори о више разнородних технологија. Класично прављење добара већег и/или видљивог габарита помоћу машина и уз учешће људи, за потребе разнородних друштава, сада се обично зове технологија. Са њом се приводи крају и иновациони потенцијал наше двовековне епохе, започете индустријском револуцијом са почетка деветнаестог века. Ту револуцију су пратиле машине алатке велике колико и човек, или много веће. У протеклом времену није била уобичајена тенденција да се инжењерски развијају и праве мале и све мање машине, јер мањих од часовничарских и алата за њих обично није било потребно. Сада се говори и све ће се више говорити о другим технологијама. Примери су: Информационе технологије, којима је почела прва технолошка револуција средином двадестог века. Она је и унапредила и (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. Да ли ће ко њих користити да направи нови рачунар, нови полупроводник, нови вештачки орган, чак и вештачки живот, зависи од његових планова. Остали морају бар умети те технологије да разазнају и са неким о томе да причају. Ако су инжењери, свакако ће пробати да нешто од тога и сами раде. Кажу да би мобилни телефон био велик као кућа да је остало да се прави помоћу електронских цеви. За студирање могу бити одабране и овакве теме: Инжењерска инерпретација управљања и програмирања класичних мезо и микро машина методима нумеричког управљања, а тиме и управљања процесима обраде. Обрадни системи нове генерације са новим технологијама мезо и микро обраде итд. Од свега се овом приликом посматра само нова генерација машина алатки за мезо и микрообраду. Овај подсетник садржи само главне поруке о процесима и машинама алаткама за микротехнологије зато што се на расположивом простору овог подсетника и у расположивом времену за разраду ове теме и не може рећи више од тога. У вези са тим овде ће бити обрађене само ове две теме: 1) Концепције мезо и микро машина алатки, као одговор на питање број 11 за усмени испит и 2) Примери мезо и микро машина алатки, као одговор на питање број 12 за усмени испит. Бирањем ове теме и за семинарски рад садржај јој може бити проширен. Овај документ је компактан и намењен је за школске потребе. Његово тумачење ваља почети тек када се има довољно времена. Најбоље је то чинити уз помоћ инструктора и у целом окружењу припремљеном за предмет Машине алатке. У Београду, априла 2011. године Пратећи писани материјал за АН-9: ha9nma. Страна 1. Укупно страна 10.
HA9.1.1 КОНЦЕПЦИЈЕ МЕЗО И МИКРО МАШИНА АЛАТКИ За неки нови производ комплетира се и технологија за њега. За ту технологију бирају се и машине алатке. Дешава се да и оне морају да се праве за ту технологију када нема адекватних. Таквих ситуација је било често када су сатови престали да буду изазов по свом малом габариту. Примери су: Интегрисана кола, микрорелеји, производи на бази полупроводника итд [1]. Тако је започела градација новоуведене класе технологија под именом ултрапрецизних технологија: оне, које се могу реализовати на затеченој опреми, па микротехнологије, а онда нанотехнологије [2], S9.1.1. Задржан је традиционални појам (машинске) обраде, иако он постепено губи класични смисао, услед увођења нових метода обраде и/или израде делова разних производа. Издвојене су три групе машина алатки, опреме и технологија (Т) које се помоћу њих реализују: Т1, са класичном машинском обрадом и тачношћу обраде изнад 10μm. Ту су машине алатке за обраду резањем без и са нумеричким управљањем: стругови, S9.1.1 Тачност технологија новијег времена [2] глодалице, брусилице итд. Т2, са прецизном машинском обрадом и тачношћу обраде изнад 0.01μm, до око 10μm. Ту су машине алатке за брушење сочива, за прецизно брушење, за суперфиниш, за обраду стругањем дијамантским алатима итд. У тој групи су и машине на којима се израђују и дискови за рачунаре и сочива за камере и сличне оптичке уређаје. Т3, са ултрапрецизном обрадом и највишом остваривом тачношћу. Ту се више не говори о машинама алаткама класичне концепције, него о литографији, о обради разним врстама млаза, о преслагивању атома у атомској решетки, о некој врсти слободне абразивне обраде итд. Т9.1.1 Предности и недостаци неких процеса микрообраде базираних на класичном одвајању матерујала. Ознаке: JР Јединица материјала одвојена у једном циклусу процеса обраде, МТ Главне особине материјала, ОР Особине обрађене површи. Принцип Сила Топљење Испаравање Одсецање Растварање Параметар ЈР Дебљина + + ++ ++ Ширина + + - - Мек ++ ++ ++ + МТ Тврд - ++ ++ + Крт + + ++ + Механичке деформације (алат, обрадак) - ++ ++ ++ ОР Заостали напони - - + ++ Дефектни слој ++ - + ++ Легенда: ++ Повољно; + Условно добро; - Неповољно. Према томе, смањивањем габарита производа упоредо се смањују и габарит машине алатке (заједно са смањењем њене производности) и ширина толеранцијског поља у којем та машина ради. Или, мали делови се не израђују на великим машинама уз повећану пажњу. Обично се каже да израда једног дела, чији је габарит 10 к пута мањи од габарита уобичајених делова, треба да се врши са 10 к пута већом тачношћу. Класична механичкамашинска обрада, на принципу дејства неких сила, само је један од метода израде делова методима микрообраде. Метални делови такође су сада само једани од мноштва делова који се израђују методима микрообраде. У обради одсецањем говори се или о издвајању појединих атома из молекула помоћу млазева са високом густином енергије, или о растапању делова припремка који треба уклонити. То је илустровано у Т9.1.1 [1]. За количину материјала, уклоњену у једном циклусу обраде, каже да је то јединица процеса (ЈР). На пример, у електроерозионој обради то је количина материјала која се уклони у једном импулсу итд. [1] Masuzawa T, State of the Art of Micromachining, CIRP Annals Manufacturing Technology, 49/2/2000, pp 473-488. [2] Corbett J, McKeown P.A, Peggs G. N, Whatmore R, Nanotechnology: International Developments ans Emerging Products, CIRP Annals Manufacturing Technology, 49/2/2000, pp 523-545. Пратећи писани материјал за АН-9: ha9nma. Страна 2. Укупно страна 10.
Т9.1.2 Главни методи микрообраде. Принцип Метод обраде Сила Резање, брушење Електроерозија, обрада Топљење/Испаравање ласером, обрада електронским млазом Одсецање Обрада ласерским млазом (ексцимер, кратки импулси) Пластично деформисање Просецање, сабијање Очвршћавање Ливење, бризгање Раслојавање Стереолитографија Преуређивање Електрообликовање Идући за процесима микрообраде, само део њиховог скупа може се пратити машинама алаткама садашње концепције, или машинама које се могу извести из данашњих. Остало је технолошка опрема, коју обично могу да направе само мешовити тимови, Т9.1.2 [1]. Када је принцип обраде примена силе (као у обради (метала) типа механичке машинске) и пластично деформисање, још увек је могуће машине алатке конципирати по узору на машине у данашњим обрадним системима. Такав изазов не оставља дилему да ли га прихватити или не, ако се има у виду раст тржишта микросистема, S9.1.2 [2]. Подаци потичу из 2000. године. За 1996. годину су статистички тачни, а за 2002. годину су процењени са око 18% очекиваног раста за годину. То је велико тржиште. Није као тржиште нафте, лекова и саобраћајних средстава, али је свакако веће од многих других и не много мање од тржишта машина алатки традиционалног габарита. Главни потрошач на том тржишту су информационе технологије, али и појединачни периферали за информационе системе и медицина са биохемијом. Обично је у тим случајевима довољно рећи да су то производи типа N. То су производи за N купаца, односно, чак за сваког становника наше планете посебно. Велики број потрошача серије чини масовним, S9.1.2 Примери производње микросистема [2] а приходе великим и на производима са ниском појединачном ценом. Појам нанотехнологије изведен је из појма нанометра, да би се показало колико су оне финије од микротехнологија, описаних појмом микрометра: 1nm=1 10-9 m. Обично се каже да је нанометар мањи око 80000 пута од дебљине просечне људске власи, а 10 пута већи од пречника атома водоника. Илустрација неких габарита у природи и у техници и технологијама показана је на S9.1.3 [2] : 1 људска шака, 2 зрнце песка, 3 људска влас, 4 честица дима, 5 DNA ланац, 6 атом, 7 штампана плоча, 8 интегрисано коло, 9 микро машинске компоненте, 10 транзистор у интегрисаном колу, 11 структура у квантној електроници, 12 означавање помоћу електронског микроскопа. Ваља уочити и ове детаље: Показана скала је логаритамска, са фактором 10, почев од дужине 1Å (ангстрем је десети део нанометра). Са још четири декадне јединице те скале стигло би се 10000 метара. То би било довољно да се мери видљиво човеково окружење на Земљи, укључујући и највише планине. У природи одвајкада постоје и најситније и најкрупније крајности. У техници, а од тога у машинству, постојало је дуго све што је прилагођено габариту човека, или веће од тога, до габарита брода, воза или неког енергетског постројења. Већина тих добара направљена су у новије време помоћу машина алатки макро габарита. Сада је отворен домен микромашинских и њима сличних објеката габарита око 1mm. Мање од тога осваја се мултидисциплинарно. Треба очекивати да ће ту тенденцију машинство пратити колико му је могуће са стеченим фундаменталним знањима у протеклој епохи. За сада се машинству нашег типа ретко указује прилика за међународну кооперацију у актуелним истраживањима (пример је Седми оквирни програм у оквиру Европске Уније). Мезо и микро машине алатке у овој поставци остају по својим концепцијама генерација машина алатки традиционалне концепције, са процесима који нису много другачији од оних у макро технологијама: на принципима механичке обраде - дејства сила (у обради резањем и пластичним деформисањем), Т9.1.2. За остале мезо и микро машине алатке припрема треба да буде шира. Ту ће се и даље тражити смањивање габарита машина и производа и повећавање тачности. У Поговору, одељак НА9.1.3, поменут је такав интердисциплинарни приступ оних који од машина алатки за мезо, микро и нано технологије планирају да живе. Пратећи писани материјал за АН-9: ha9nma. Страна 3. Укупно страна 10.
S9.1.3 Градација габарита у технологији [2] Један пример процеса погодног и за микро и за макро технологије показан је на S9.1.4. То је специјализовано коришћење електролизе за израду металних делова, у овом случају алата за разне врсте обликовања [3]. Погодни материјали су: бакар, никл, гвожђе и сребро. Дебљина наноса може достићи и 15 милиметара. Тачност израде може бити до 1μm, а обрађена површ са храпавошћу до Ra 0.05 μm. Процес је познат под називом електрокалуповање, које је овде именовано као електрообликовање, да се одвоји од појма калуповања у класичној изради алата за ливење. Подједнако је применљив у уобичајеним макро технологијама и у новим микро технологијама. Примери су: израда алата разних врста, израда микро електро машинских система (МЕМS), али и у једном новом методу обраде, познатом под називом LIGA. Тај метод је развијен у Немачкој и представља комбинацију литографије, електрообликовања и бризгања пластичних материјала. Процес електрообликовања тече приближно овако: Анода, од материјала који треба нанети, овде бакра, разлаже се у електролиту, S9.1.4а), а онда се јони те аноде таложе на катоди. Разлика овог електрообликовања и уобичајене електролизе је следећа: Електролизом се врши дорада постојећег производа, а електрообликовањем се изнова израђује потребни рељеф, или потребна геометрија. Потребни облик и мере у овом процесу остварују се копирањем са модела, који се прави другим технологијама. b) Пример израде електроде електрообликовањем Ово је пример израде електроде за електроерозиону обраду. Почиње се са моделом направљеним методом додавања материјала, овде стереолитографијом (SLA). У електролизи би се на обрадак, по природи позитив, наносио метал константне дебљине. Овде је алат негатив и њему та стална дебљина није својствена. Метализација модела је потребна да би постао електропроводан. Тиме се стичу потребни услови за електрообликовање. После се калуп-електрода пуни a) Принцип електрообликовања неком лакотопљивом и електропроводном легуром. S9.1.4 Израда делова методом електрообликовања [3] [3] McGeough J. A, Leu M. C, Rajurkar K. P, De Silva A. K. M, Liu Q, Electroforming Process ans Application to Micro/Macro Manufacturing, CIRP Annals-Manufacturing Technology, 50/2/2001, pp 499-514. Пратећи писани материјал за АН-9: ha9nma. Страна 4. Укупно страна 10.
У поставци мезо и микро машина алатки за почетак је довољно да се класификују производи и технологије у мезо и микро домену, по правилу да се нека технологија увек посматра у пару са машином алатком (и обрадним системом). Када се разграничавају домени макро, микро и нано производа, па се издваја домен микро производа, обично се њихов домен покаже као у Т9.1.3 [4]. У позадини ове класификације је дефиниција: Микро производ је сваки производ чији су функционални елементи у рангу 1µm, без обзира на његов стварни габарит. Пример је штампач са млазницима чији је пречник око 25 µm (inkjet printer), а да сам штампач има габарит прилагођен човеку. Т9.1.3 Категорије микро производа [4]. Ознака: IT Информационе технологије. Основни принцип рада Физички Хемијски Оптички Машински, Механички Биомедицински Електромагнетни Групе производа Примери IT и рачунари X X Електромагнетна лежишта. Сензори X X X X X X Жироскопи, претварачи убрзања, микро пумпе, микро системи за анализу. Импулсни погони, магнетни погони и актуатори, Актуатори, погони X X пиезоелектрични мотори са еластичним деформисањем, микро мотори, електростатички погони и актуатори. Холографске меморије, сочива, микро оптичке компоненте, оптички прекидачи, оптичке мреже. Оптичка комуникација X Екрани X X X Микро огледала, екрански уређаји. Електронске компоненте X Медицинска опрема X X Имплантати, хируршки уређаји. Сатови X X Зупчаници, микро преносници. Млазници млазних штампача, штампачи у боји, слушни апарати, микро компоненте на интегрисаним колима. Када се ограничава домени микро технологија, тада се то илуструје као у Т9.1.4 [4]. Ту су процеси микро технологија класификовани по принципу рада. До тих процеса може се доћи минијатуризацијом затечених макро процеса, укрупњавањем већ развијених процеса из домена микроелектронике (МЕМS) и развојем сасвим нових технологија, често и комбиновањем процеса и материјала. Т9.1.4 Технологије за израду микро производа [4]. Интеракције материјала Принцип рада Механичка сила Топљење Испаравање (термички) Одвајање Пластично деформисање Додавање Спајање Х Х Х Х Х Х 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 Х Ласерским снопом (импулсна обрада). Растварање Х ЕСМ, изотропско и анизотропско нагризање, реактивно јонско нагризање. Очвршћавање Х Ливење, бризгање. Преуређивање Х Електрообликовање, хемијско наношење превлака. Полимеризација Х Х Раслојавање Синтеровање Х Комбиновање механичких и термичких принципа. Додавање: Стереолитографија, фотообликовање, наношење полимера. Спајање: Лепљење. [4] Alting L, Kimura F, Hansen H. N, Bissacco G, Micro Engineering, CIRP Annals Manufacturing Technology, 52/2/2003, pp 483-695. Пратећи писани материјал за АН-9: ha9nma. Страна 5. Укупно страна 10.
Мезо и микро машине алатке први пут су уведене као појмови у задњој деценији двадесетог века. Резултати тих истраживања су били и овакви: Методи конципирања мезо и микро машина алатки, а онда и микро фабрика, као праве мере за мезо и микро технологије. Прототипови мезо и микро машина са специфичним погонима (помоћу електромагнета и пиезоелектричних елемената), са погонима главних вретена типа ваздушне турбине, са мерним системима примереним потребној релативној тачности машине итд. Отварање праваца примене те прве генерације мезо машина алатки, од којих је један био ка медицинском машинству итд. Та полазна омеђавања домена мезо и микро технологија и опреме за њих показана су на S9.1.5 и S9.1.6 [5],[6]. Ту је показана и потреба да се у мезо и микро домен улази помоћу опреме мултидисциплинарно прављене за ту намену, уместо да се врши минијатуризација постојеће. a) Домени у равни прецизност-габарит b) Домени микро/мезо у машинству На скици а) домен мезо технологија и опреме за њих издвојен је под називом Машинска обрада. Сматра се да га је могуће покрити мезо машинама алаткама, а да већ у следећем кораку, ка домену МЕМS (микро електро машински системи) приступ са само машинама алаткама и са процесима обраде није сам по себи довољан. Једна од тих нових дисциплина су материјали. На скици b) издвојен је домен са габаритом између 10 1 и 10 4 µm и релативном тачношћу прецизношћу од 10-3 до 10-5 као мезо/микро домен који није покриван наменски развијаним технологијама и опремом за њих. Тај домен је до сада покриван обично минијатуризацијом технологија и опреме из мако домена. За оријентацију су наведена и два домена који нагињу нанотехнологијама: МЕМS и NЕМS (нано електро машински системи). Релативна тачност је количник остварене толеранције израде и габаритне мере једног производа. S9.1.5 Пример ограничавања домена мезо и микро у машинству [5],[6] Типична постојећа технолошка опрема у овој равни покрива домен објеката са запремином изнад око 10 6 mm 3 (до око једног литра). У том домену се може говорити у корелацији габарита објеката и опреме на којој се они праве. Испод тог домена је други у којем та корелација не постоји. Ту је опрема већа од објекта и до 10 10 пута за понеке микро и мезо машинске компоненте. Један од приступа, који добро покрива ове домене, представља конципирање микрофабрика, а тиме и мезо/микро машина алатки. Примери су показани у Поговору. Објекти израђени делови тада су по габариту просечно од 10 2 до 10 4 µm, са отворима, жљебовима и сличним технолошким облицима од само по неколико микрометара габарита и са релативном тачношћу од 10-3 до 10-5. S9.1.6 Релација између габарита обратка и машине алатке обрадног система [5],[6] [5] Vogler M. P, Liu X, Kapoor S. G, DeVor R, Ehmann K. F, Development of Meso-scale Machine Tool (mmt) Systems, http://micromanufacturing.org/uploads/publications/vogler2002mmt.pdf (2002-147; 2002-148). [6] Ehmann K. F, DeVor R. E, Kapoor S. G, Micro/Meso-scale Mechanical Manufacturing Opportunities and Challenges, http://www.mech.northwestern.edu/mfg/aml/pdf/2002-154.pdf Пратећи писани материјал за АН-9: ha9nma. Страна 6. Укупно страна 10.
HA9.1.2 ПРИМЕРИ МЕЗО И МИКРО МАШИНА АЛАТКИ Овде ће бити показане концепције само две такве машине, од много њих [7]. Обе у основи имају препознатљиве технологије, међу оним које су наведене у Т9.1.4. Прва машина је показана на S9.1.7 [3]. Постоје две врсте оваквих машина и процеса који се одвијају у њима. Једна је термохемијска верзија, а друга електрохемијска. За правилно одвијање процеса у овој машини потребно је: преузети модел прототипа у формату STL, да би програмирање било једноставно; поставити подлогу и подесити и одржавати њено загревање; затворити реакциону комору и ставити је под контролисани притисак; укључити довођење реагенса и стабилизовати му проток и притисак и извршити наношење једног по једног слоја. На крају се прототип скида са подлоге и завршно обрађује. Ово је концепција термохемијске верзије процеса и машине. Из млазника струји течни реагенс који је на собној температури, долази у додир са загрејаном подлогом и већ наталоженим реагенсом и на њему се таложи. Таложење за постепено формирање прототипа омогућава се управљањем кретањем млазника и трајањима струјања реагенса. Израда се врши у слојевима. Осама X и Y комплетира се један слој, а осом Z позиционира нови. Радна реакциона комора је стално под притиском и проветрава се. Машина се програмира као и друге за брзу израду прототипова. Модел прототипа (алата) преузима се од CAD система у формату STL. S9.1.7 Концепција машине за брзу израду прототипова (алата) термохемијским таложењем Друга машина је показана на S9.1.7 [7]. Припада класи микро/нано машина. Направљена је помоћу контактног микроскопа типа AFM (АFM: Atomic Force Microscope). Од тог микроскопа користи се конзола са дијамантским пипком, припадајућим оптичким системом и пиезоелектричним системом, као да се микроскоп користи за скенирање испитиване површи. Међутим, пипак се овде користи за обраду. Та обрада је у основи гребање помоћу дијамантског кристала. Машина је састављена додавањем прецизне платформе на микроскоп зато што он нема задовољавајућу тачност позиционирања. Зато радна кретања на машини врши та додата платформа по све три осе (X,Y,Z). a) Скица процеса обраде резањем Обрада на овој наномашини није аналогна са оном на ултрапрецизном стругу због велике разлике у дубини резања (на стругу око 5µm, на овој машини неколоко nm). b) Структура система са додатним столом S9.1.8 Концепција једне комбиноване нано машине на бази AFM [8] [7] WTEC Panel Report on INTERNATIONAL ASSESSMENT OF RESEARCH AND DEVELOPMENT IN MICROMANUFACTURING, http://www.wtec.org/micromfg/report/micro-report.pdf. [8] Yan Y, Sun T, Liang Y, Dong S, Investigation on AFM-based micro/nano-cnc machining system, International Journal of Machine Tools & Manufacture, 47(2007), pp 1651-1659. (ASM: Signal Access Module). Пратећи писани материјал за АН-9: ha9nma. Страна 7. Укупно страна 10.
Уз ове машине ваља поменути и неки њихов подсистем. Овде је одабран погон. Мали габарит мезо и/или микро машине такорећи искључује комплет типа мотор-преносник-актуатор. И ове машине су прво направљене помоћу затечених компонената. То су звучни електромагнети и пиезоелектрични мотори [8]. Пример мотора типа звучног електромагнета показан је на S9.1.9. Прво је показан принцип рада и то на примеру силе, која делује на проводник у магнетном пољу и на примеру индукције у проводнику, који се креће у магнетном пољу, S9.1.9а,b). Ови мотори могу бити транслаторни, S9.1.9c) и обртни, S9.1.9d). У њима се користи Лоренцова сила за погон, S9.1.9а). Овде је интересантан транслаторни, S9.1.9с). То је цилиндрични мотор. Магнетно поље је оријентисано радијално, а створено је помоћу сталног магнета са радијалним магнећењем. Магнетно поље се затвара кроз цилиндар и језгро од меког гвожђа. Напајањем намотаја 4 у таквом магнетном пољу генерише се аксијална сила F, што је вучна сила овог транслаторног мотора. Овакви погони раде без хистерезиса, имају велико убрзање, не греју се много, нису много бучни, имају дуг век, нису скупи,... a) Принцип рада: Лоренцова сила на проводнику b) Принцип рада: Индукција у покретном проводнику Легенда: 1 Језгро од меког гвожђа, 2 Цилиндар од меког гвожђа, 3 Стални магнет, 4 Намотај. c) Пример транслаторног погона d) Пример обртног погона: погон главе диска S9.1.9 Примери првих мотора за мезо машине алатке: Звучни електромагнети [8.1] Пиезоелектрични мотори често иду у пару са фрикционим актуатором, да би се осцилаторно кретање погонске пиезокристалне групе претворило у транслаторно усмерено кретање [8.2]. Уобичајено је да ови мотори раде на фреквенцама до неколико килохерца. Напајање и управљање оваквих мотора личи на оно за корачне моторе, по редоследу активирања фаза и по дељењу корака на мање делове. Овде су процеси обраде-технологије посматрани у пару са машинама алаткама, које их врше, па се сматра да је помињање једног процеса исто што и помињање машине-обрадног система, где се то ради. Пребројавањем испробаваних процеса мезо и микро обраде већ сада се може створити значајан скуп нових технологија и машина (алатки) за њих у мезо и микро домену: микро електроерозија, обе врсте, микро обрада ласером, микро ултразвучна обрада, микрорезање, микробризгање/микроливање, микро електрохемијска обрада, микробрушење, микропросецање... Идући за тим долази се и све чешће ће се долазити до атома као јединице процеса (ЈР у Т9.1.1), пре у тимовима, него појединачно, пре развојем нове опреме него минијатуризацијом постојеће... У одељку HA9.1.3 показана је потреба за мултидисциплинарним радом у домену мезо и микро технологија и машина алатки, а онда су показани и примери резултата неких истраживања. [8] [8.1] Ryan M, Voice Coil, ECE 5320 Mechatronics Assignment 1, Utah State University, 2006. аhttp://mechatronics.ece.usu.edu/ece5320/schedule/hw01-2006/michаel_ryan_a.ppt [8.2] N. N, Linear Piezoelectric Motors, PiezoMotor Uppsala AB, http://www.piezomotor.se Пратећи писани материјал за АН-9: ha9nma. Страна 8. Укупно страна 10.
HA9.1.3 ПОГОВОР Стилизован је као низ слика, свака са својом посебном поруком о мезо и микро машинама алаткама. Мезо и микро технологије и машине алатке за њих сада ретко ко помиње. Они, који су на томе радили, сада са осталима говоре о нанотехнологијама и раде у технички и технолошки богатим срединама. Приступ нанотехнологијама тако је постао мултидисциплинаран. То је илустровано на S9.1.10 [2]. Ту су назначени и домени који имају више везе са машинством од осталих: 1 микро компоненте у рачунарима и оптичким уређајима (са сочивима), 2 прецизна техника, 3 увек битни нови материјали и микрообликовање, 4 прецизна израда, 5 истраживачка база, 6 научна и техничка база, 7 обједињени интердисциплинарни развој. Класичног машинства овде нема. Ако га и има на неком другом месту, свакако ће у свом окружењу имати све више и ове технологије и производе које оне стварају. S9.1.10 Нанотехнологије и њихово окружење [2] а) Прототип једне троосне мезо машине алатке b) Турбински погон главног вретена d) Једно стилизовано виђење будуће микро фабрике Погони помоћних кретања су транслаторни звучни електромагнети, погон главног вретена је ваздушна турбина са бројем обрта до 150000 у минуту, носач обратка врши све три транслације. Уз електромагнете користе се линеарни енкодери као повртатна спрега и имају инкремент од 1μm. c) Троосни носач обратка Ходови по осама Х и Y су по 25mm, а по оси Z 20mm. S9.1.11 Пример једног резултата у истраживању мезо машина алатки [5,6] Пратећи писани материјал за АН-9: ha9nma. Страна 9. Укупно страна 10.
S9.1.12 Пример једне микрофабрике [4] Ова фабрика је и стона и преносна. Има струг, глодалицу, пресу, руку са два прста и манипулатор. Мере ове фабрике су: 625х490х380 mm, а маса јој је око 34 kg. Ka свакој машини алатки усмерена је по једна CCD камера. Помоћу њих се снима обрада на свакој од тих машина да би процес био видљив. Мезо машине алатке по својој природи имају радни простор око 1dm 3, а у овој фабрици је габарит самих машина приближно толики. Зато су машине у овој микро фабрици класификоване као микромашине. Ово је био један пројекат у Јапану. Брзоходно главно Пиезоелектрична Глава са вретено глава ласером a) Изглед реконфигурабилне стоне машине b) Пример једног реконфигурисања Погон рзоходног главног вретена је ваздушна турбина са 150000 обрта у минуту 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. Овде је показано реконфигурисање машине за серију ове три технологије: (1) Израда бакарне електроде глодањем; (2) Израда удубљења електроерозијом помоћу тако направљене електроде и (3) Завршна ултразвучна обрада тако направљеног удубљења. S9.1.13 Пример прототипа једне стоне реконфигурабилне машине алатке [9] Мезо и микромашине могу покренути и/или убрзати и ове правце развоја: Израда покретних, па и ванземаљских фабрика. Лако се могу тамо однети, а тамо где иду већ постоје макро објекти. Те донете фабрике могу покренути прављење добара за нову цивилизацију од микро нивоа, на који се и наша цивилизација враћа, а занатима оставља остало. Афирмацију реконфигурабилних машина алатки и технолошких система. Реинжењеринг машинства помоћу нових знања и нових кооперација итд. [9] Kurita T, Hattori M, Development of new-concept desk top size machine tool, International Journal of Machine Tools & Manufacture, 45(2005), pp959-965. Пратећи писани материјал за АН-9: ha9nma. Страна 10. Укупно страна 10.