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.
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.
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;
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.