Металлообработка микроинструментов, как операция в последние годы развивается удвоенными темпами. В 2007 году по Евросоюзу емкость процесса обработки микроинструментов оценивали 9,6 млрд. евро, а в 2009 – он вырастёт до 20 млрд. евро ориентировочно. В Германии, как стране-лидере точного станкостроения, даже создали специальное Общество содействия распространению микроструктурной техники (IVAM), и, прежде всего в сфере микрофрезерования.
В микрообработке контролю подвергаются не только размеры детали, но позиции вершины микрофрез и микросверл относительно торца шпинделя. Плюс к этому надо учитывать температурные деформации самого шпинделя для компенсации его теплового расширения. Это далеко не простая задача, ведь диаметр инструментов меньше миллиметра!
В технической прессе Cutting Tool Engineering (N 2, Vol. 59, 2007, США) описан станок модели 2007-ТС компании Micro Drill Presses, осуществляющий микрообработку с точностью позиционирования 2.54 мкм и с биением шпинделя не больше 1мкм. Но это не предел – станок модели 310-S от Microlution Inc обеспечивает точность позиционирования 1 мкм. Это «заслуга» оптических кодирующих устройств марки Heidenhain, установленных по всем линейным осям.
С тремя управляемыми NC-осями: новейшие технологии для любой геометрии зуба
Другим примером удачного использования сверхоптики в производстве микродеталей является измерительная машина HELICHECK PLUS фирмы WALTER. Её называют не иначе, как техникой будущего. И есть за что – 4 мощные осветительные лампы и телекамеры увеличивают детали в 400 раз. Но изюминка в том, что камеры оснащены специальным устройством оптимизации освещения, что обеспечивает ей качественное измерение в реальном времени даже блестящих или полированных поверхностей, которые из-за зеркального отрицательного эффекта плохо контролируются обычной оптикой.
Таким образом, на уровне 400-кратного увеличения микрофрезы и микросверла достаточно точно обрабатывают детали. Причём специалисты заявляют о простоте управления системой оптической измерительной машины HELICHECK PLUS фирмы WALTER.
Однако, инженерная и научная мысль зачастую опережает даже самые смелые проекты в микрообработке. В техническом журнале Maschinenmarkt. 2008. Nr. 19 презентуется комбинированная измерительная система – оптика плюс микрощуп – способная осуществлять нанопозиционирование и измерение микродеталей с точностью 50 нм и меньше. Рабочий диапазон охватывает 10 мм 3D – пространства. Для нанопозиционирования используется «оптическая ловушка» – сферический щуп диаметром 8.0 мкм, который дискретно смещается и на каждом шаге высокочастотно вибрирует. По динамически измеряемому давлению светового луча, отраженного от поверхности микродетали, захватываются геометрические изменения самой детали, которые трансформируются в 3D модель с оцифрованными размерами, вычисленными по специальной программе. И хотя эта система находится только в стадии разработки, эксперименты подтверждают эффективность такого нанопозиционирования.
С четырьмя NC-осями:новейшие технологии для полной обработки. С 4-мя NC-осями:X,Y,Z и В для полной обработки передней поверхности зуба, спинки зуба и наружного контура за один рабочий ход
Кроме оптики широкое распространение получили измерительные системы на базе сенсорного измерения – контактного и бесконтактного, например – гибридная измерительная система фирмы Makino.
Еще одной особенностью работы с микродеталями и инструментами является то, что при установке, транспортировке и упаковке человек не должен прикасаться к ним. Для этих целей фирмой Herman Schmidt были разработаны специальные зажимные механизмы на природных магнитах, более мощных (как минимум, в два раза чем промышленные полярные магниты). Инженеры Herman Schmidt позаботились об универсальности зажимов, которые могут быть установлены на высокоскоростные станки с усилием до 5g. Кроме того, эти устройства дополнительно оснащаются пневматическими и/или гидравлическими усилителями.
Для перемещения микроинструментов и деталей применяют специальную манипуляционную технику, оснащенную мощными микроскопами и многокоординатными роботами. Различают механические, масляные или гидравлические, моторизованные и пьезоманипуляторы (наноманипуляторы).
Наиболее простыми, очевидно, являются механические микроманипуляторы с точностью позиционирования 0.1-5 мкм, построенные на базе высокоточных прецизионных винтов. На классы выше – масляные ( гидравлические) микроманипуляторы. Они преобразуют механические усилия, совершённые на специальном дистанционном блоке, в давление на манипуляторную мембрану. Она же в свою очередь соединена с микроинструментом. Гидравлика обеспечивает высокоточные плавные редуцируемые движения манипулятора.
В отличие от механических и гидравлических микроманипуляторов – моторизованные системы перемещения микроинструмента, построенные на базе микродвигателей, управляются специальными компьютерными программами и могут встраиваться в обрабатывающие центы.
Переход с мкм-уровня на наноуровень, точность позиционирования менее 1 нм требует смены микроманипуляторов на наноманипуляторы. В них используются специальные системы и технологии для защиты от «термического или статического дрейфа», «мертвого» хода, «эффекта скачка» и др. явлений, характерных для наноразмеров. Платформы для зажимов микроинструментов и деталей перемещаются двухосцилляторными пьезоэлектрическими двигателями, способными к высокоточному пошаговому режиму. Специальные устройства минимизируют практически до «нуля» механические микровозмущение.
Очевидно, что успешные разработки и массовое освоение производственных систем нанообработки позволит создать уникальные, прежде всего, медицинские машины, способные перевернуть представление о самой человеческой жизни. Например, известный научный предсказатель-футуролог Рей Керзвеил и его последователи не без оснований считают, что созданные человечеством молекулярные врачи-роботы будут лечить абсолютно все болезни без фармацевтического или хирургического вмешательства.