eng
В современном цифровом производстве успешным станет тот, кто построит высокотехнологичный завод, который будет выпускать много полезного. Наш рассказ о системах точного трехкоординатного позиционирования, которые востребованы во многих системах: фрезерных обрабатывающих центрах, микромашининге, лазерной резке и гравировке, сканирующих зондовых микроскопах и молекулярных 3D-принтерах.
DOI: 10.22184/1993-8578.2019.12.7-8.450.455
DOI: 10.22184/1993-8578.2019.12.7-8.450.455
Теги: automatic tool changer cnc digital production machining center milling machine nanopositioning probe microscopy автосмена инструмента зондовый микроскоп нанопозиционирование обрабатывающий центр фрезерный станок цифровое производство чпу
ЧТО НАМ СТОИТ ЗАВОД ПОСТРОИТЬ
IT IS EASY AS A PIE TO BUILD A PLANT IN THE SKY
И.В.Яминский1, 2, 3 д.ф.-м.н., проф., генеральный директор Центра перспективных технологий, директор Энергоэффективных технологий (ORCID: 0000-0001-8731-3947) / yaminsky@nanoscopy.ru
I.V.Yaminskiy1, 2, 3, Doctor of Sc. (Physics and Mathematics), Prof., Director of Advanced Technologies Center, Director of Energy Efficient Technologies, (ORCID: 0000-0001-8731-3947)
DOI: 10.22184/1993-8578.2019.12.7-8.450.455
Получено: 17.11.2019 г.
В современном цифровом производстве успешным станет тот, кто построит высокотехнологичный завод, который будет выпускать много полезного. Наш рассказ о системах точного трехкоординатного позиционирования, которые востребованы во многих системах: фрезерных обрабатывающих центрах, микромашининге, лазерной резке и гравировке, сканирующих зондовых микроскопах и молекулярных 3D-принтерах. Only one who can build a high-tech plant produces a lot of useful goods and will be successful in a modern digital production. Our story is about 3D precise positioning systems which are in demand in a number of areas such as milling machining centers, micromachining, laser cutting and engraving, scanning probe microscopes and molecular 3D printers.
В центре молодежного инновационного творчества "Нанотехнологии" физического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова [1] при поддержке Центра перспективных технологий проходят практические занятия и курсы по следующим направлениям:
сканирующая зондовая микроскопия;
3D-проектирование в SolidWorks и механообработка.
С первого взгляда может показаться, что эти курсы очень далеки друг от друга. Сканирующая зондовая микроскопия работает с атомами и молекулами, объектами нанометрового и микронного масштаба. Это глаза в наномир в трех его измерениях.
Проектирование, дизайн, механообработка – область технологий другого масштаба. Да и здесь нужны абсолютно другие навыки.
Однако реалии современного технологического продвижения говорят совсем о другом.
Существующие передовые обрабатывающие центры позволяют достичь субмикронную и нанометровую точность обработки деталей. Среди лидеров – центры электроискровой обработки, фемтосекундные лазеры для резки материалов и даже системы токарного и фрезерного микромашининга [2]. Обработку материалов – нанолитографию – можно проводить и с помощью сканирующего зондового микроскопа. При этом используют как механическое, так и электрическое и электрохимическое воздействия.
Но есть и другой важный момент в курсах ЦМИТ "Нанотехнологии", на который следует обратить особое внимание, что мы и делаем при проведении занятий. Если хорошо освоить второй из упомянутых курсов по 3D-проектированию, то на базе полученных знаний и навыков можно самому сконструировать оригинальный сканирующий зондовый микроскоп.
Но достичь успеха можно только в том случае, если вы параллельно со вторым курсом изучили и первый курс – сканирующей зондовой микроскопии.
В результате получается единое научно-практическое обучение инженерно-физическому искусству – "Как собрать зондовый микроскоп своими руками".
Начиная с создания первого микроскопа и приходя к сложным серийным моделям, нам приходилось решать два важных вопроса одновременно – придумывать новые режимы микроскопии и реализовывать их в железе. Конечно, нужно добавить и два других важных направления – электронное конструирование и программирование. Эти два направления нам давались достаточно легко, потому что у нас уже были хорошие навыки как в электронике, так и в составлении программ. Удачно, что для развития этих направлений не нужны большие капиталовложения. Для подготовки гармоничного специалиста в Центре молодежного инновационного творчества мы планируем добавить два новых курса "Проектирование электронных систем" и "Программирование для нанотехнологий". Со временем подумаем и о другом важном курсе "Маркетинг, реклама, продвижение в высоких технологиях".
После принятия в августе 1990 года закона о малых предприятий уже в сентябре того же года Центр перспективных технологий был зарегистрирован в Центральном административном округе Москвы как высокотехнологичная производственная компания.
По сути дела все последующее время мы строили и развивали компанию как завод по выпуску самых совершенных зондовых микроскопов. Серьезной проблемой была механообработка. Существенного прогресса удалось достичь в 2007 году, когда наше производство мы оснастили высокоточным фрезерным центром с числовым программным управлением (рис.1). Сейчас мы и сами научились делать фрезерные станки и обрабатывающие центры. Особую нишу занимают малогабаритные обрабатывающие центры. Созданная нами перспективная модель фрезерного центра позволяет проводить автоматическую смену инструмента, имеет автоматические системы охлаждения и смазки.
Все это повышает как точность обработки, так и срок службы центра.
Когда к нам на экскурсию приходят школьники, то стоит задача: просто, понятно и увлекательно рассказать о нашем направлении. И конечно, об успехе, в который мы должны вовлечь школьников, будущих ученых, специалистов, практиков. Нынешнее молодое поколение уже само по себе бизнес-ориентированное. Мы начинаем рассказ о заводе, что обычно молодые умы немножко настораживает. Но в действительности получается так, что путь к успеху – это выпуск востребованной продукции. Это может быть и интеллектуальный продукт, компьютерная программа или увлекательная игра на мобильном телефоне. В любом случае для выпуска продукта нужен завод. Можете назвать его как угодно: студия дизайна, лаборатория программирования, центр интеллектуальной мысли, фабрика успеха и т.д. Завод он и есть завод. Это путь к успеху. Особенно в эпоху надвигающейся цифровой экономики.
Для посетителей и участников Центра молодежного инновационного творчества "Нанотехнологии" мы регулярно проводим конкурс "Мой первый завод". Надо построить рассказ о заводе, директором которого вы хотите стать и который будет выпускать много полезного. Победителя, как всегда, ожидает приз.
Современные заводы и фабрики очень производительны. Например, один единственный завод Samsung или Sony может обеспечить всех людей планеты телевизорами.
Производственный центр компании Intel – снабдить всех скоростным процессором в составе компьютера, ноутбука или планшета. В современном городе можно построить завод по выращиванию салата в закрытом помещении. За год в нем можно вырастить до 12 урожаев.
Кроме того, такой завод – это фабрика кислорода, что для мегаполисов очень хорошо. В Москве недавно в здании табачной фабрики на Каширском шоссе запущена городская ферма. Фактически это уже не ферма, а высокотехнологичный завод по производству зелени [3].
У современного цифрового завода должны быть все необходимые атрибуты – система управления на базе микропроцессоров, fpga-контроллеров, компьютеров и пр., электроника с датчиками, программное обеспечение и, безусловно, механические конструкции и исполнительные системы. Другими словами, все, что имеется в сканирующем зондовом микроскопе, должно быть и в цифровой системе производства [4].
Общим элементом обрабатывающего центра и сканирующего зондового микроскопа является система трехкоординатного позиционирования X-Y-Z. Нами разработан 3D-манипулятор для исполнения этих функций (рис.4). Технические параметры 3D-манипулятора приведены ниже:
3D-манипулятор применяется в следующих областях:
Платформа 3D-манипулятора может использоваться как автономно, так и быть установлена на обрабатывающий центр АТС "Индустрия 4.0" или инвертированный оптический микроскоп Nikon Ti-U. Возможна адаптация 3D-манипулятора к другим обрабатывающим и измерительным платформам.
На нашем заводе требуются многие специалисты – физики, химики, биологи, материаловеды, программисты, инженеры и конструкторы. Создавать заводы – это путь радости успешного человека.
Работы по изготовлению обрабатывающего центра ATC "Индустрия 4.0" и 3D-манипулятора выполнены при поддержке Фонда содействия инновациям (договор № 422ГРНТИС5/44715).
Калибровка 3D-манипулятора методами сканирующей зондовой микроскопии осуществлена при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 17-52-560001.
Авторы выражают искреннюю благодарность Департаменту предпринимательства и инновационного развития г. Москвы и Министерству экономического развития Российской Федерации (договор №8/3-63ин-16 от 22.08.16) за неоценимую помощь.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Akhmetova A.I., Fedoseev A.I., Yaminsky I.V., and Belov Yu. K. Youth Innovation Creativity Center "Nanotechnology" at the Physics Department of Lomonosov Moscow State University. Nanoindustry, 3 (83): 274–277, 2018.
Yaminsky I.V. Ideas and innovation, factories and plants. Nanoindustry, 1 (80): 84–86, 2018.
https://yandex.ru/news/yandsearch?from=newswizard&cl4url=https://rg.ru/2019/11/14/reg-cfo/na-meste-tabachnoj-fabriki-v-moskve-otkrylas-ferma.html&fan=1&wizard=story
Filonov A., Savinov S., Sinitsyna O., Meshkov G., and Yaminsky I. The FemtoScan X is a new scanning probe microscope. Nanoindustry, 2012, № 3 (33), 48–49.
IT IS EASY AS A PIE TO BUILD A PLANT IN THE SKY
И.В.Яминский1, 2, 3 д.ф.-м.н., проф., генеральный директор Центра перспективных технологий, директор Энергоэффективных технологий (ORCID: 0000-0001-8731-3947) / yaminsky@nanoscopy.ru
I.V.Yaminskiy1, 2, 3, Doctor of Sc. (Physics and Mathematics), Prof., Director of Advanced Technologies Center, Director of Energy Efficient Technologies, (ORCID: 0000-0001-8731-3947)
DOI: 10.22184/1993-8578.2019.12.7-8.450.455
Получено: 17.11.2019 г.
В современном цифровом производстве успешным станет тот, кто построит высокотехнологичный завод, который будет выпускать много полезного. Наш рассказ о системах точного трехкоординатного позиционирования, которые востребованы во многих системах: фрезерных обрабатывающих центрах, микромашининге, лазерной резке и гравировке, сканирующих зондовых микроскопах и молекулярных 3D-принтерах. Only one who can build a high-tech plant produces a lot of useful goods and will be successful in a modern digital production. Our story is about 3D precise positioning systems which are in demand in a number of areas such as milling machining centers, micromachining, laser cutting and engraving, scanning probe microscopes and molecular 3D printers.
В центре молодежного инновационного творчества "Нанотехнологии" физического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова [1] при поддержке Центра перспективных технологий проходят практические занятия и курсы по следующим направлениям:
сканирующая зондовая микроскопия;
3D-проектирование в SolidWorks и механообработка.
С первого взгляда может показаться, что эти курсы очень далеки друг от друга. Сканирующая зондовая микроскопия работает с атомами и молекулами, объектами нанометрового и микронного масштаба. Это глаза в наномир в трех его измерениях.
Проектирование, дизайн, механообработка – область технологий другого масштаба. Да и здесь нужны абсолютно другие навыки.
Однако реалии современного технологического продвижения говорят совсем о другом.
Существующие передовые обрабатывающие центры позволяют достичь субмикронную и нанометровую точность обработки деталей. Среди лидеров – центры электроискровой обработки, фемтосекундные лазеры для резки материалов и даже системы токарного и фрезерного микромашининга [2]. Обработку материалов – нанолитографию – можно проводить и с помощью сканирующего зондового микроскопа. При этом используют как механическое, так и электрическое и электрохимическое воздействия.
Но есть и другой важный момент в курсах ЦМИТ "Нанотехнологии", на который следует обратить особое внимание, что мы и делаем при проведении занятий. Если хорошо освоить второй из упомянутых курсов по 3D-проектированию, то на базе полученных знаний и навыков можно самому сконструировать оригинальный сканирующий зондовый микроскоп.
Но достичь успеха можно только в том случае, если вы параллельно со вторым курсом изучили и первый курс – сканирующей зондовой микроскопии.
В результате получается единое научно-практическое обучение инженерно-физическому искусству – "Как собрать зондовый микроскоп своими руками".
Начиная с создания первого микроскопа и приходя к сложным серийным моделям, нам приходилось решать два важных вопроса одновременно – придумывать новые режимы микроскопии и реализовывать их в железе. Конечно, нужно добавить и два других важных направления – электронное конструирование и программирование. Эти два направления нам давались достаточно легко, потому что у нас уже были хорошие навыки как в электронике, так и в составлении программ. Удачно, что для развития этих направлений не нужны большие капиталовложения. Для подготовки гармоничного специалиста в Центре молодежного инновационного творчества мы планируем добавить два новых курса "Проектирование электронных систем" и "Программирование для нанотехнологий". Со временем подумаем и о другом важном курсе "Маркетинг, реклама, продвижение в высоких технологиях".
После принятия в августе 1990 года закона о малых предприятий уже в сентябре того же года Центр перспективных технологий был зарегистрирован в Центральном административном округе Москвы как высокотехнологичная производственная компания.
По сути дела все последующее время мы строили и развивали компанию как завод по выпуску самых совершенных зондовых микроскопов. Серьезной проблемой была механообработка. Существенного прогресса удалось достичь в 2007 году, когда наше производство мы оснастили высокоточным фрезерным центром с числовым программным управлением (рис.1). Сейчас мы и сами научились делать фрезерные станки и обрабатывающие центры. Особую нишу занимают малогабаритные обрабатывающие центры. Созданная нами перспективная модель фрезерного центра позволяет проводить автоматическую смену инструмента, имеет автоматические системы охлаждения и смазки.
Все это повышает как точность обработки, так и срок службы центра.
Когда к нам на экскурсию приходят школьники, то стоит задача: просто, понятно и увлекательно рассказать о нашем направлении. И конечно, об успехе, в который мы должны вовлечь школьников, будущих ученых, специалистов, практиков. Нынешнее молодое поколение уже само по себе бизнес-ориентированное. Мы начинаем рассказ о заводе, что обычно молодые умы немножко настораживает. Но в действительности получается так, что путь к успеху – это выпуск востребованной продукции. Это может быть и интеллектуальный продукт, компьютерная программа или увлекательная игра на мобильном телефоне. В любом случае для выпуска продукта нужен завод. Можете назвать его как угодно: студия дизайна, лаборатория программирования, центр интеллектуальной мысли, фабрика успеха и т.д. Завод он и есть завод. Это путь к успеху. Особенно в эпоху надвигающейся цифровой экономики.
Для посетителей и участников Центра молодежного инновационного творчества "Нанотехнологии" мы регулярно проводим конкурс "Мой первый завод". Надо построить рассказ о заводе, директором которого вы хотите стать и который будет выпускать много полезного. Победителя, как всегда, ожидает приз.
Современные заводы и фабрики очень производительны. Например, один единственный завод Samsung или Sony может обеспечить всех людей планеты телевизорами.
Производственный центр компании Intel – снабдить всех скоростным процессором в составе компьютера, ноутбука или планшета. В современном городе можно построить завод по выращиванию салата в закрытом помещении. За год в нем можно вырастить до 12 урожаев.
Кроме того, такой завод – это фабрика кислорода, что для мегаполисов очень хорошо. В Москве недавно в здании табачной фабрики на Каширском шоссе запущена городская ферма. Фактически это уже не ферма, а высокотехнологичный завод по производству зелени [3].
У современного цифрового завода должны быть все необходимые атрибуты – система управления на базе микропроцессоров, fpga-контроллеров, компьютеров и пр., электроника с датчиками, программное обеспечение и, безусловно, механические конструкции и исполнительные системы. Другими словами, все, что имеется в сканирующем зондовом микроскопе, должно быть и в цифровой системе производства [4].
Общим элементом обрабатывающего центра и сканирующего зондового микроскопа является система трехкоординатного позиционирования X-Y-Z. Нами разработан 3D-манипулятор для исполнения этих функций (рис.4). Технические параметры 3D-манипулятора приведены ниже:
- поле позиционирования X-Y-Z: 100 × 100 × 35 мм;
- разрешение по горизонтали X и Y: 0,075 нм;
- линейность по горизонтали X и Y: 0,02%;
- резонансная частота X/Y: 3000 / 2000 Гц;
- разрешение по нормали (вертикали) Z: 0,05 нм;
- линейность по нормали (вертикали): 0,02%;
- резонансная частота Z: 1500 Гц.
3D-манипулятор применяется в следующих областях:
- в качестве системы нанопозиционирования для лазерной гравировки и резки;
- сверхточного микромашининга;
- 3D-интерференционного сканирования;
- сканирующей зондовой микроскопии;
- молекулярного 3D-принтера, сканирующего капиллярного микроскопа.
Платформа 3D-манипулятора может использоваться как автономно, так и быть установлена на обрабатывающий центр АТС "Индустрия 4.0" или инвертированный оптический микроскоп Nikon Ti-U. Возможна адаптация 3D-манипулятора к другим обрабатывающим и измерительным платформам.
На нашем заводе требуются многие специалисты – физики, химики, биологи, материаловеды, программисты, инженеры и конструкторы. Создавать заводы – это путь радости успешного человека.
Работы по изготовлению обрабатывающего центра ATC "Индустрия 4.0" и 3D-манипулятора выполнены при поддержке Фонда содействия инновациям (договор № 422ГРНТИС5/44715).
Калибровка 3D-манипулятора методами сканирующей зондовой микроскопии осуществлена при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 17-52-560001.
Авторы выражают искреннюю благодарность Департаменту предпринимательства и инновационного развития г. Москвы и Министерству экономического развития Российской Федерации (договор №8/3-63ин-16 от 22.08.16) за неоценимую помощь.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Akhmetova A.I., Fedoseev A.I., Yaminsky I.V., and Belov Yu. K. Youth Innovation Creativity Center "Nanotechnology" at the Physics Department of Lomonosov Moscow State University. Nanoindustry, 3 (83): 274–277, 2018.
Yaminsky I.V. Ideas and innovation, factories and plants. Nanoindustry, 1 (80): 84–86, 2018.
https://yandex.ru/news/yandsearch?from=newswizard&cl4url=https://rg.ru/2019/11/14/reg-cfo/na-meste-tabachnoj-fabriki-v-moskve-otkrylas-ferma.html&fan=1&wizard=story
Filonov A., Savinov S., Sinitsyna O., Meshkov G., and Yaminsky I. The FemtoScan X is a new scanning probe microscope. Nanoindustry, 2012, № 3 (33), 48–49.
Отзывы читателей
