1

2.5.5МАШИНЕ АЛАТКЕ

иРОБОТИ НОВЕ ГЕНЕРАЦИЈЕ

АНАН--99МезоМезо ии микромашинемикромашине

http://cent.mas.bg.ac.rs

Машински факултетБеоград

Катедра за производномашинство

http://www.mas.bg.ac.rs

МАШИНЕ АЛАТКЕ И РОБОТИ НОВЕ ГЕНЕРАЦИЈЕ 2012

МАШИНЕ АЛАТКЕ И РОБОТИ НОВЕ ГЕНЕРАЦИЈЕ 2010

АН-9 Мезо и микромашине

АР-3 Примери мезо и микромашина

2

УводУвод

• У протеклом времену није билауобичајено да се инжењерскиразвијају и праве мале и све мањемашине, јер мањих одчасовничарских и алата за њихобично није било потребно.

• Сада је мода “ Стара знањаприказати у новом руху “ или новаинтерпретација старих знања.

• Механичка обрада (класика) + новетехнологије обраде или комбинацијаразличитих технологија обраде

КоликоКолико ““маломало”” јеје МАЛОМАЛО??Од МАКРО до нано света

МОСТОВИ

АВИОНИ

ЧОВЕК

ПТИЦЕ

...

ПУЖЕВИ

ПИРИНАЧ

МРАВИ

ДЕЛОВИСАТА

ПЕСАК ...

КОСА

ПРАШИНА

ПОЛЕН

ЋЕЛИЈА

БАКТЕРИЈА

...

ВИРУС

ЈЕЗГРО

ПРОТЕИНИ

...

3

Увод

м/машине алатке

производи

ПроизводњаПроизводња производапроизвода саса следећимследећим карактеристикамакарактеристикама::

делови око 10 10 m m додо окооко 10 mm 10 mm садрже врло сложене 3D3D (free(free--form) form) површинеповршине коришћење врло широког опсега различитих материјала ултрапрезицниултрапрезицни деловиделови

ПроизводњаПроизводња сесе обављаобавља::

УлтрапрецизнимУлтрапрецизним машинамамашинама МинијатуризованимМинијатуризованим машинамамашинама ии процесимапроцесима “MMикрофабрикамаикрофабрикама””

МезоМезо//МикроМикро--обрадаобрада ШтаШта јеје тото??

Део добијен ултрапрецизним микроливњем бризгањем

IPA Stuttgart - GermanyDesktop Microfactory

AIST - JapanМикро-струг

4

ТехнологијеТехнологије

• Информационе технологије, којима је почела прватехнолошка револуција средином двадестог века. Она јеи унапредила и (прву) индустријску револуцију, па сунам на располагању нумерички управљане машинеалатке, дигиталне технологије итд.

• Микро и нанотехнологије, којима је почела другатехнолошка револуција почетком овог века. Одвија семултидисциплинарно, са извесним учешћем ипроизводног машинства.

• Биотехнологије и биоинжењеринг. • Израда производа методима додавања материјала.• Технологије нових материјала итд.

Сада се говори и све ће се више говорити о другим технологијама:

НУ глодалица (1950)

Питања:

11. Концепције мезо и микро машинаалатки

12. Примери мезо и микро машинаалатки

Од свега поменутог на овом курсу се разматра само новагенерација машина алатки за мезо и микрообраду. У везиса тим овде ће бити обрађене само ове две теме(питања):

5

КОНЦЕПЦИЈЕКОНЦЕПЦИЈЕМЕЗОМЕЗО ИИ МИКРОМИКРО

МАШИНАМАШИНА АЛАТКИАЛАТКИ

СпиралаСпирала развојаразвоја

• За нови производкомлетира сетехнологија за њега!

• За ту технологију себирају или праве НОВЕмашине алатке аконема адекватних! НОВ

И

произв

од (M/

Технол

огијe

НовеМА

м/

6

МАШИНЕ АЛАТКЕ И РОБОТИ НОВЕ ГЕНЕРАЦИЈЕ 2012

ТачностТачност технологијатехнологија новијегновијегвременавремена

T1: класична технологија (тачностобраде изнад 10 m)

Т2: Прецизна технологија (тачностобраде 0.01 do 10 m)

Т3: ултрапрецизна технологија(тачност обраде испод 0.01 m)

МашинеМашине заза технологијтехнологијее новијегновијегвременавремена

• T1: класична технологија (ТО изнад 10 m) машинеза 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 алатимаитд.

• Т3: Ултрапрецизна технологија (ТО испод до 0.01 m) литографија, разне обраде млазом, ~преслагивањеатома у атомској решетки, ...

7

Израда делова ?

• Смањивање габарита производасмањивање габарита машина(МИНИЈАТУРИЗАЦИЈА)

• Мали делови се не израђују на великиммашинама уз повећану пажњу

• Мали делови коју су 10к мањи одуобичајених, треба да се израђују са 10к

већом тачношћу

м/

ДваДва приступаприступа

• На великим машинама правитимезо/микро (м/) делове (прелазнаваријанта)

• На новим мезо-микро машинамаправити мезо/микро (м/) делове.

м/

8

МинијатуризацијаМинијатуризација крозкроз времевреме нана примерупримеру рачунарарачунара

ENIAC – први компјутер из 1946Lap-top компјутер из 1996

“Palm-top” компјутер из 2000

величина 106 мањајачина 106 већа

Величина: 108 мањаЈачина: 108 већа

Спектакуларна минијатуризацијаза само 50 година!!!

...

Компјутер 386 hard disk око 120 MB

мобилни телефон некад мобилни телефон данас

Меморија у виду флешавеличине и мање од паковања

жвака

9

део 5 mm

Машина 2 m

САДАШЊАСАДАШЊАПРАКСАПРАКСА

Машина 250 mm(или чак и мање)

УМЕСТО

ПОСЛЕДИЦЕПОСЛЕДИЦЕ МИНИЈАТУРИЗАЦИЈЕМИНИЈАТУРИЗАЦИЈЕКарактеристикеКарактеристике производнепроизводне опремеопреме

Несразмеран односизмеђу обратка и машине

СкалирањеСкалирање –– МинијатуризацијаМинијатуризацијамашинамашина алаткиалатки

Делове малих запремина је боље радитина одговарајућим малим машинамаМале машине заузимају мало простора иимају мање сталне трошковеМале машине троше много мање енергијеи мање загађују околинуРадни простор малих машина је око 1 dm3

и мање од тогаТренутно стање у погледу тачностиминијатуризованих машина алатки је око0.1 до 10 микрона

10

Сила

ТопљењеИспаравање

Одсецање

Растварање

ПринципПринцип

ПараметарПараметар

ЈРЈР

ДебљинаДебљина ШиринаШирина

МТМТ

МекМек ТврдТврд крткрт

МехМех. . дефдеф. . АА//RPRP

ОРОР

ЗНЗН ДФДФ

++ ++ ++++ - ++ - ++++-

++ ++ ++++ ++ ++ - --++

++++ - ++++ ++ ++++ + ++++

++++ - ++ + ++ ++ ++++++

ПредностиПредности ии недостацинедостаци некихнеких процесапроцесамикрообрадемикрообраде

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

ГлавниГлавни методиметоди микрообрадемикрообраде

11

штампана плоча

људска шака

зрнце песка

људска власкосе

честица дима

структура у квантнојелектроници

чип интегрисаногкола

микро машинскекомпоненте

• Скала логаритамска

• од 0.1nm до 1m

• 1 angstrem = 0.1 nm

• 1 nm = 10-9 m

ГрадацијаГрадацијагабаритагабарита уу

технологијитехнологији

DNA ланац

Атом

транзистор уинтегрисаном колу

означавање помоћуелектронског микроскопа

КласификацијаКласификација величинавеличина

Ref: W.Eversheim, F.Klocke, T.Pfeifer and M.Weck, “ Manufacturing Excellence in Global Markets,”Chapman & Hall, 1997.

12

ПринципПринцип електрообликовањаелектрообликовањаспецијализованокоришћењеелектролизе заизраду металнихделова

материјали: бакар, никл, гвожђе, сребро

дебљина наноса: 15 мм

тачност: 1m

Ra: 0.05 m

електрообликовањеилиелектрокалуповање

Пример израде електроде електрообликовањем

Ово је пример израде електроде за електроерозиону обраду

пуњењелакотопљивоми проводномлегуром

модел

електрода

13

Dr. Bruce K. GaleFundamentals of Microfabrication, Introduction to the LIGA Microfabrication Process

• Развијен у Немачкој

• Комбинација литографије, електрообликовања ибризгања пластичнихматеријала.

LIGALIGA методметод обрадеобраде

LIGALIGA методметод обрадеобраде

маска

одвојени металникалуп

Масовнапроизводња

бризгањемпластике

Добијени део одполимера

Електрообликовање

добијени део

од пластике

14

Категорије микропроизвода

ДефиницијаДефиниција микромикро производапроизвода

Микро производ је сваки производчији су функционални елементи урангу 1μm, без обзира на његовстварни габарит.

15

ПринципПринцип

МетодиМетоди

ТехнологијеТехнологије заза израдуизраду микромикро производапроизвода попо принципупринципу радарада

Одвајање

Плас

. деформ

.

Додавањ

е

Спајање

механичкасила

Одвајање: Резање, брушење, распрашивање, ултразвучнаобрада Пластично деформисање: Ваљање, дубокоизвлачење, ковање, просецање и пробијање. Спајање:Ултразвучно, хладно заваривање притиском.

ТопљењеИспаравање

Одвајање: Електроерозиона обрада, Обрада ласером, обрада електронским млазом. Додавање: CVD, PVD. Спајање: Заваривање (електроотпорно, ласерско), топљење(електроотпорно, ласерско, вакуумско), лепљење.

Одсецање Ласерским снопом (импулсна обрада).

РастварањеЕСМ, изотропско и анизотропско нагризање, реактивно јонско нагризање

Очвршћавање Ливење, бризгање.

Преуређивање Електрообликовање, хемијско наношење превлака.

ПолимеризацијаРаслојавање

Додавање: Стереолитографија, фотообликовање, наношењеполимера. Спајање: Лепљење.

Синтеровање Комбиновање механичких и термичких принципа

ЗаштоЗашто МикроМикро--обрадаобрада??

•• ШтедњаШтедња уу• простору• енергији• матероијалу• цени

•• СмањењеСмањење• вибрација и буке• загађења животне средине

•• ПовећањеПовећање• продуктивности• брзине резања (мања инерција)• тачности и прецизности• преносивости

16

СистемскиСистемски захтевизахтеви заза микромикро--обрадуобраду

ТоплотнаТоплотна ии механичкамеханичка стабилностстабилност

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

Најмања могућа девијација путање

брзо управљање, прорачун путање са нанометарском тачношћу

АутоматскоАутоматско подешавањеподешавање ии калибрацијакалибрација

интегрисани систем сензора, циклуси за обраду прилагођени микро

обради, систем за мерење

ФлексибилноФлексибилно програмирањепрограмирање

примена CAM система, параметарско програмирање, примена

математичких real-time функција, управљање отворене архитектуре

МеханичкаМеханичка силасила: : одвајањеодвајањеМикроМикро стругањестругање, , бушењебушење, , глодањеглодање

Шеме

Обрада на ултрапрецизниммашинама

Обрада на минијатуризованиммашинама

Познати проблеми

алати за микро обраду критична дубина резање за

формирање струготине повећање отпора резања извијање алата

17

ПластичноПластично деформисањедеформисање: : ПримериПримери микромикро производапроизвода

опругемикро савијање

Miкro завртњимикро ваљање

Пиновимикро истискивање

Вратило преносникамикро екструдирање

делови за сатовеMикро-пробијање/просецање

делови за сатовеMикро-извлачење

Домени у равни прецизност-габарит

Домен мезо технологија иопреме зе њих

Микро ЕлектроМашински Системи

18

Домени микро/мезо у машинствуМикро ЕлектроМашински Системи

Нано ЕлектроМашински Системи

габарит објекта:101-104m

релат. тачн: 10-3-10-5mm

Обично минијатуризацијомтехнологија и опреме за њих

РелацијаРелација измеђуизмеђу габаритагабарита обраткаобратка иимашинемашине алаткеалатке –– обрадногобрадног системасистема

Типична технолошка опрема

покрива домен објеката запремине

106 mm3(до 103 mm3, одн. 1 литра)

Опрема је и до 1010

пута већа одобратка

Један од приступа јеконципирање микрофабрика, а самим тим иодговарајућих мезо имикро машина алатки

19

ПРИМЕРИПРИМЕРИ МЕЗОМЕЗО ИИМИКРОМИКРО МАШИНАМАШИНА

АЛАТКИАЛАТКИ

Мезо и микро машине алатке сепрви пут помињу у

задњој деценији 20. века

... 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 ...

ПримериПримери мезомезо ии микромикро машинамашина

• Концепција машине за брзу израдупрототипова термохемијским таложењем

• Концепција једне комбиноване нано машине• Концепција мезо машине алатке• Неки подсистеми мезо и микро машинаалатки

• Једно виђење будуће микро фабрике• Пример једне микро фабрике• Пример прототипа једне стонереконфигурабилне машине алатке

20

Концепција машине за брзу израду прототипова (алата) термохемијским таложењем

1: из млазника струји течниреагенс

2: на собној Т долази уконтакт са загрејаномподлогом и већ наталоженимреагенсом

3: таложење се остварујеслој по слој

4: осама X,Y комплетрира сеједан слој

5: оса Z позиционира новислој

6: радна реакциона комора јестално под притиском ипроветрава се

7: програмирање на бази STL фајла

Обрада на наномашини

Концепција једне комбиноване нано машине

Обрада на ултрапрецизном стругу

дубина резањаоко 5 m

дубинарезањанеколико nm

на бази AFMАFM: Atomic Force Microscope

21

Структура система комбиноване наномашине садодатним столом

радна кретања на машини врши додата платформа по све три осе (X,Y,Z).

као да семикроскопкористи заскенирањеиспитиванеповрши

Прототип једнетроосне мезо

машине алатке

Турбински погон главногвретена

Троосни носачобратка

22

Прототип једнетроосне мезо

машине алатке

брзина резања: 200 m/min пречник алата: 250 - 500 μmброј обрта вретена:125,000 –250,000 rpmсиле резања: 100 mNгабарити машине: 250х250х250 mm

кретања у X,Y и Z правцутоком обраде остварујеобрадак

алат током обраде мирује иизводи само главно обртнокретање

алат има могућносттранслаторног померањатоком измене алата ипоновног позиционирања упозицију за резање

Тестбед мезо машине алатке има 3 подсистема:1) подсистем погона главног вретена2) Систем који обезбеђује релативно поерање А/RP3) подсистем за мониторинг процеса резања

• габарити машине 270х190х220 mm• радни простор 30х30х30mm• број обрта вретена: 120000 min-1

Има пет основних подсистема:

• подсистем за прецизнопозиционирање

• подсистем задовод ваздуха вретену,

• подсистем за управљање• подсистем микро алата,• 3-компонентни сензор силе

Mезо машина алатка

23

Распоред опреме и сензора која обезбеђујепотребну тачност позиционирања

захваљујући мерењу грешака, анализигрешака и компензацији

аквизиционисистем

ласерска глава

процесор

ретрорефлектор

сензортемпературематеријала

сензортемпературе

ваздуха

ПримериПримери обрађенихобрађених деловаделова нана мезомезо машинимашини алаткиалатки

24

НекиНеки карактеристикекарактеристике подсистемаподсистемамезомезо ии микромикро машинамашина алаткиалатки

• Мали габарит искључује комплетпреносник-актуатор

• користе се: звучни електромагнети ипиезоелектрични мотори као актуатори

• као погон главног вретена користе севаздушне турбине

• мерни системи су примерени захтеванојреалтивној тачности

ПринципПринцип радарадамотора типа звучног електромагнета

Лоренцова сила на проводнику Индукција у покретном проводнику

Код ових мотора се користи Лоренцова сила као погон!

25

ПримерПример транслаторногтранслаторног погонапогона

• Магнетно поље јеоријентисано радијално,

• Магнетно поље се затваракроз цилиндар 2 и језгро одмеког гвожђа 1.

• Напајањем намотаја 4 утаквом магнетном пољугенерише се аксијална сила F,

• F је вучна сила овогтранслаторног мотора.

• Овакви погони имају великоубрзање, не греју се много, нису много бучни, имају дугвек, нису скупи.

Легенда:

1 Језгро од меког гвожђа, 2 Цилиндар од меког гвожђа, 3 Стални магнет, 4 Намотај.

Легенда:

1 Језгро од меког гвожђа, 2 Цилиндар од меког гвожђа, 3 Стални магнет, 4 Намотај.

ПримерПример транслаторногтранслаторног погонапогона

звучни електромагнети

26

ПримерПример транслаторногтранслаторног погонапогона

звучни електромагнети

ПиезоелектричниПиезоелектрични ефекатефекат

Пиезоелектрични ефект је појава стварања електричног напонана крајевима пиезоелектричног кристала при механичком притискуна њега.

Супротан случај је кад се на кристал доведе напон - тада долазидо његове механичке деформације.

Овај ефекат се користи за транслаторне и обртнепиезоелектричне моторе!

27

Пиезолектрични моториПеиезоелетрични мотор често иде у пару са

фрикционим актуатором, да би се осцилаторнокретање пиезокристалне групе претворилоутранслаторно или обртно усмерено кретање.

http://www.youtube.com/watch?v=CYcVT1yFv7A&feature=relmfu

ПринципПринцип радарада обртногобртног пиезопиезо моторамотора

Општи принцип рада заснива се нагенерисању механичког померања кроздеформације активног пиезо материјала којимсе изазива обртно кретање ротора помоћудеформације статора захваљујући контакту итрењу између статора и ротора.

путовање таласа

РОТОР

СТАТОР

28

СпецифичниСпецифични погонипогони помоћупомоћупиезоелектричнихпиезоелектричних елеменатаелемената

СпецифичниСпецифични погонипогони зазамезомезо//микромикро машинемашине алаткеалатке

29

Ултра брзо аеростатичкиулежиштено вретенопогоњено DC мотором

аксијални лежај

““МикроМикро фабрикафабрика ??!!””From Photonics Spectra, 1998

30

Могући концепт будуће микрофабрике

ЈедноЈедно стилизованостилизовано виђењевиђењебудућебудуће микромикро фабрикефабрикеПојаваПојава

парадигмепарадигмемикрофабрикемикрофабрике

mMT

Workpiece

Material flow grid line

Plug-in

Electric

power leg

Air power leg

Control signal

leg

mMT

Air power layer Control signal/Electrical power layer

Material transport layer

СкалирањеСкалирање фабрикефабрике

Стона (десктоп) фабрика у Јапану (DTF)

Стона глодалица са вретеном које имадо 300,000 о/мин брзину помоћногкретања-убрзање са линеарниммоторима: 400 mm/s - 2.1 G

2000

ПредностиПредности:: Штедња енергије иматеријала, лака преносивост, лакше за одржавање ичишћење, већа тачност, лакшаконтрола температуре, људи суизван фабрике и чистогпростора, јефтиније.

ПроблемиПроблеми::технолошке препреке, масовнапроизводња, како обезбедитиквалитет

31

ПримерПример једнеједне микрофабрикемикрофабрикемикро фабрика

стона

преносна

Садржимикромашине: струг, глодалицу, пресу, рукуса два прста иманипулатор

Мере: 625х490х380 mm

маса: 34 kg

Камером се снимапроцес на свакојмашини.

ПримерПример прототипапрототипа једнеједне стонестонереконфигурабилнереконфигурабилне машинемашине алаткеалатке

32

КарактеристикеКарактеристике

• Погон брзоходног главног вретена јеваздушна турбина са 150000 о/min и снагеоко 20W.

• Користи се за обраду глодањем, бушењем, брушењем итд.

• Пиезоелектрична глава има померај од 20 μmи фреквенцу од 5kHz. Користи се заелектроерозиону и електрохемијску обраду.

• Глава са ласером има снагу око 120 W. Користи се за обраду ласером и затретирање ласером.

РРеконфигурисањееконфигурисање машинемашине зазасеријусерију тритри технологијетехнологије

1) Израда бакарне електродеглодањем;

(2) Израда удубљењаелектроерозијом помоћу таконаправљене електроде

(3) Завршна обрада таконаправљеног удубљења.

33

Резиме

11. Концепције мезо и микро машина алатки

12. Примери мезо и микро машина алатки

Обрађене су две теме:

АР-3 Примери мезо и микромашина

Са овом темом иде и разрада :

МАШИНЕ АЛАТКЕ И РОБОТИ НОВЕ ГЕНЕРАЦИЈЕ 2012

ХвалаХвала нана пажњипажњи!!