Пути создания альтернативных сас

Раздел III. Пути создания альтернативных САС Создание САС на основе автоматизации традиционных процессов металлообработки — реальный, но весьма длительный и дорогой путь сопряженный с решением технически очень сложной проблемы — автоматизации всех сборочных операций на борту САС .
А, что если попытаться изменить многостадийную технологию металлообработки, совместив процесс изготовления различных деталей с их взаимным пространственным размещением внутри создаваемого узла, или машины. Подобная технология изготовления изделий сразу в собранном виде была реализована в начале 60-х годов в полупроводниковом производстве и получила название интегральной. Вместо множества трудоемких операций обработки, сборки, пайки и монтажа каждой радиодетали теперь за несколько приемов с помощью фотолитографии, вакуумного напыления, ионного легирования и травления получают готовые электронные приборы ( микропроцессоры, матрицы и т.д.), содержащие тысячи и миллионы различных радиодеталей. Замена технологии сборки дискретных элементов интегральной ( бессборочной) позволило снизить трудоемкость и стоимость изделий в тысячи раз. Естественно стремление исследователей распространить эти способы и в других областях машиностроения. Наиболее крупные достижения интегральной технологии изготовления машин и механизмов сделаны сотрудниками исследовательского отделения робототехнических систем фирмы АТТ Бэлл Лэборэтриз, из Массачусетского технологического института. Они поставили перед собой цель — создать из кремния методами полупроводниковых производств микророботы, размерами в несколько миллиметров ( для выполнения микрохирургических операций, производства электронных изделий и т.д.). К настоящему времени ими разработаны, изготовлены и успешно опробованы отдельные узлы и механизмы таких робототехнических систем. Среди них воздушная турбина с ротором диаметром от 125 до 240 мкм, ( делает 15 тыс. об/мин), зубчатую передачу с 3 шестернями диаметром в несколько сот микрон и захват, состоящий из 2-х кулачков и зубчатого ползуна ( с шириной раскрытия захвата — 400мкм). Все они имеют толщину 40-50 мкм изготовлены в собранном виде в результате выполнения нескольких последовательных операций на кремниевой подложки: 1) окисление верхнего слоя подложки при температуре =8500 С с последующей фотолитографией и ионным травление (СНF3) отдельных участков окисла ( получение корпуса механизма и воздушного зазора), 2) осаждение первого слоя поликремния ( при 6300 С из смеси силана и водорода) с последующим его частичным окислением, фотолитографированием и селективным травление СНF3 ( получение подвижных частей механизма). 3) осаждение из паровой фазы при температуре= 700 0 С слоя окисла кремния, его фотолитографирование и травление с целью создания воздушного зазора вокруг и над подвижными деталями,4) осаждение второго слоя поликремния при тех же условиях с последующим его частичным окислением фотолитографированием и ионным травлением с целью получения крышки корпуса. 5) вытравливание окиси кремния для освобождения движущихся деталей с помощью разбавленного раствора НF ( операция длится до 48 часов). Зазор между трущимися деталями и осями доведен до 1, 2 мкм.1)
В электротехнических лабораториях Массачусетского технологического института ( Кембридж, шт. Массачусетс) и Калифорнийского университета в Беркли (Сан-Диего шт. Калифорния) аналогичными интегральными методами созданы действующие миниатюрные электродвигатели. Двигатель с переменной емкостью, изготовлен на слое двуокиси кремния, который электрически изолирует его от кремниевой подложки. Мотор имеет фиксированную ось из нитрида кремния, окруженную ( но не связанную механически) плоским поликремниевым ротором, состоящим из втулки с несколькими радиальными крыльями-полюсами. Диаметр ротора -100 мкм. Статор состоит из различного числа поликремниевых полюсов, окружающих ротор. Импульсы напряжения, генерируемые простыми микросхемами и прикладываемые к расположенным друг против друга парам полюсов статора, генерируют электростатическую силу, создающую крутящий момент между смещенными полюсами ротора и статора, что вызывает вращение ротора.2)
В лаборатории «Сандиа» ( шт. Нью-Мексико, США) аналогичными интегральными методами создана из кремния микропаровая машина (площадь поршня — 12 мкм2, ход поршня -20 мкм) .3)
Однако описанные технологии малоподходящие для САС. Кремний — хотя и самый распространенный, но хрупкий, плохо проводящий электрический ток материал, извлекаемый из сырья по сложной технологии. Операции с ним требуют сложного оборудования. Скорость наращивания готовых кремниевых узлов и машин низкие. Поэтому такая технология годится только для микротехники , имеющий ограниченную сферу применения ( в электронных устройствах хирургии и т.д.). Более перспективным для интегральных САС является основной конструкционный материал машиностроения—железо. Оно обладает хорошей прочностью, электропроводностью, ферромагнитными свойствами, распространено в природе и легко извлекается из сырья. Осаждение и формообразование железных слоев может осуществляться различными способами. Основные из них: 1) вакуумное ( катодное, испарением и т.д.), 2) газофазное (разложением карбонилов), 3) распыление расплава ( в электродуге, газовом пламени и т.д.), 4) наплавка, 5) гальваническое осаждение ( гальванопластика). Наиболее прост и удобен последний способ. Гальваническое осаждение не требует сложного оборудования ( вакуумных установок и т.д.), осуществляется при обычных температурах, с относительно высокой скоростью ( до 0,25 мм/час, а в механогальваническом проточном режиме — до 4 мм/час). При правильно подобранных режимах обеспечивается хорошее качество осадков. Из различных металлов методами гальванопластики получают пресс-формы, штампы, типографские стереотипы, шлифовальные круги, печатные плата и гибкие кабели, печатные обмотки дисковых якорей электромашин, фольгу, сетки, сосуды давления, детали ракетных двигателей, солнечные рефлекторы, трубы, волноводы, детали часов и т.д.Опишем один из возможных вариантов применения интегральной технологии изготовления узлов и машин на основе многослойного последовательного гальванического осаждения железа в парафиновых матрицах ( масках, формах).
В парафиновом слое ( минимальной толщиной 0,1-1 мм и максимальной до 1 см) с помощью трафаретов или координатографа формируются «пробельные» места, соответствующие профилю разреза деталей соответствующего сечения изготовляемого узла или машины. При наложении парафиновой маски на поверхность катода в гальванической ванне железо будет осаждаться только на участках свободных от парафина, воспроизводя сечение машины. После заполнения железом «окон» маски, накладывается следующая с новой конфигурацией «окон» и так далее пока не будет воспроизведена вся машина или узел. Но это в принципе. Для того, чтобы по этой технологии можно было изготовлять работоспособные узлы и машины, нужны дополнительные операции. Во—первых, для осаждения железа в «окнах» изолированных от катода и от предыдущих осажденных слоев, необходимо отдельные участки поверхности парафиновых матриц металлизировать ( для получения электропроводящего слоя). Во—вторых, у тесно соприкасающейся поверхности трущихся деталей ( осей вращения, зубчатых колес, винтовых пар, поршневых групп и т.д.) разделительный участок парафиновой маски создать очень трудно или вовсе не возможно, с помощью трафарета или координатографа. Нужны будут другие технические решения. Одно из них — отдельное гальваническое изготовление закладного элемента одной из пары трущихся деталей, покрытие его разделительным слоем и перенос в соответствующее «окно», где по конфигурации закладного элемента будет формироваться трущаяся часть другой детали. В— третьих, детали, изготовляемые из неметаллических материалов или других металлов должны быть изготовлены отдельно и затем вставлены в машину или сформированы в процессе гальванического наращивания специальными способами. В — четвертых, неизбежной особенностью гальванического процесса является появление дендридов и шероховатостей на осаждаемой поверхности. Для снятия их необходимо периодическое механическое или электрохимическое шлифование. В—пятых, для повышения прочности и пластичности электролитическое железо после осаждения обычно отжигают при температуре 300-600 0 С с целью удаления растворенного в нем водорода. Такая операция осуществима будет только в отношении узлов и машин не содержащих деталей из органических и других не теплостойких материалов. В противном случаи изготовленное изделие подлежит только незначительному нагреву ( до  1000 С) с целью выплавления парафиновой маски.
В целом полный цикл может выглядеть следующим образом:
нанесение на металлическую подложку разделительного слоя ( например, раствора парафина в бензине) и сушка его;
нанесение на подложку I -ой парафиновой маски через трафарет;
опускание подложки в гальваническую ванну и осаждение на « пробельные» места маски тонкого слоя железа ( толщ  10мкм); ( подложка подключается как катод);
нанесение на металлизированные места подложки II-ой парафиновой маски через трафарет;
нанесение на подложку через трафарет полимера или другого конструкционного материала ( для электроизоляции и других целей) и сушка его;
наложение масок с подложкой на наращиваемую поверхность катода в гальванической ванне;
электротравление металлического слоя подложки, не покрытого масками (включение подложки в электроцепь в качестве анода, перенос слоя железа на катод и «приварка» его с его помощью парафиновых масок к катоду);
возвращение подложки в исходное положение с одновременным переносом масок на катод;
нанесение разделительного слоя на вспомогательную подложку и сушка его;
нанесение парафиновой маски через трафарет на вспомогательную подложку с целью получения «окон» для формовки закладных деталей;
опускание вспомогательной подложки в гальваническую ванну, включение ее в качестве дополнительного катода и формирование электроосаждением закладных деталей;
подъем вспомогательной подложки из ванны и удаление парафиновой маски нагревом, одновременно включение электромагнита подложки для фиксации закладных деталей на подложке;
Наложение вспомогательной подложки с закладными деталями на основной катод;
Перевод закладных деталей на основной катод путем включения электромагнита, основного катода и отключения электромагнита вспомогательной подложки;
Возврат вспомогательной подложки в исходное положение;
Включается и непрерывно работает до начала нового цикла устройство снятия дендридов, и неровностей ( шлифовальное) с одновременной непрерывной фильтрацией электролита.
После достижения осаждаемого железа металлизированного верхнего слоя парафиновых масок включается программа цикла изготовления нового слоя.
После окончания изготовления узел или машина извлекаются манипулятором из гальванической ванны, в специальной камере освобождается от парафиновых масок нагреванием до 100 0 С, промывается водой с содой,сушится и в случаи необходимости отжигается в защитной атмосфере.
Рассмотрим конкретные примеры интегрального изготовления отдельных узлов и машин:
Роликовый подшипник на подложке основного (ОП) катода формируется 1-ый слой с концентрически расположенными внешним и внутренним кольцом подшипника ( кромки колец увеличенные) и между ними — кольцо сепаратора. По 2-ому слою формируются кольца подшипника с дорожками ( уменьшенными стенками) и межроликовые стенки сепаратора. По 3-му слою тоже самое, но в матрице — отверстия сделаны под ролики ( без токоподвода).
Одновременно на вспомогательной подложке по парафиновой матрице осаждаются ролики. После выплавки матрицы подложка с роликами ( положение роликов фиксируется электромагнитом подложки) совмещается с основой. На нее накладывается 4 -ый слой аналогичный 2-ому, но с верхним электропроводящим слоем ( для межкольцевого пространства). Последний 5-ый слой—аналогичен 1-ому.
Электромагнитная катушка с сердечником.
На вспомогательную подложку с нанесенным токопроводящим слоем по трафарету откладывается парафиновая матрица спирали витков 1-ого слоя катушки. Свободные участки токопроводящего слоя удаляются ( электролизом, кислотой) и на них заливается быстротвердеющая пластмасса ( с температурой плавления выше, чем у матрицы). Парафин выплавляется и вместо него осаждается железный провод. Вспомогательная подложка совмещается с основной, на которой по матрице формируется сердечник, и переносит спираль витков с изоляцией. Затем также формируется на вспомогательной подложке 2-ой изолирующий слой пластмассы с отверстием для соединительного провода ( без осаждения). 2-ой слой переносится на основную подложку, где осаждается соединительный провод. Затем аналогично.2) Электромагнитная катушка с сердечником.На вспомогательную подложку ( ВП ) наносится слой электропроводящий пленки ( ЭП ), наносится затем 1-ый слой парафиновой матрицы ( ПМ ) с отверстием для соединительного провода, в которое осаждается железо (ОЖ). ПМ вытапливается и вместо нее заливается быстротвердеющая пластмасса ( устойчивая при температуре плавления матрицы). На нее наносится 2-ой слой ЭП ( переносом, порошком и т.д.) и 2-ой слой ПМ по трафарету с выделением зазоров между витками 1-ой спирали обмотки. Из свободных участков удаляется ЭП ( электролизом, травлением кислотой) и заливается пластмасса. Потом выплавляется ПМ.
редуктор с 2-мя зубчатыми колесами и подшипниками скольжения.
На ВП наносится ЭП и по трафарету ПМ с выделением двух колец подшипников, затем ОЖ, удалением ПМ и нанесение на подшипники тонкого изолирующего слоя (ИС) ( раствор парафина в бензине). Затем перенос подшипников на ОП ( с фиксацией электромагнитом) и нанесение на нее слоя ЭП и через трафарет 1-ого слоя ПМ с выделением боковой стенки корпуса редуктора, перенос на основной катод, ОЖ. Формирование на ОП слоя ЭП и 2-го слоя ПМ с выделением торцевых стенок и свободной части осей редуктора, перенос на катод и ОЖ. На ВП наносится ЭП и по трафарету ПМ одного из зубчатых колес ( или его обода), ОЖ удаляется ПМ, зубчатое колесо покрывается ИС и переносится на катод. На ОП наносится 3-ый слой ПМ ( без ЭП) с теми же контурами, что 2-ой слой + контур 2-х сцепленных зубчатых колес, затем переносится на катод и ОЖ. На ОП наносится 4-ый слой ПМ ( без ЭП ) такой же как и 2-ой слой ПМ, переносится на катод и ОЖ. Далее на ОП наносится ЭП и 5-ый слой ПМ такой же как 1-ый слой, переносится на катод и ОЖ. Предварительно на ВП формируются, осаждаются и переносятся на катод 2 подшипника, аналогично описанным выше. Завершает формирование на ОП 6-ого слоя ПМ с контуром 2-х осей ( выходящих из корпуса редуктора для подключения других механизмов), перевод на катод и ОЖ. На ВП наносится ЭП и ПМ с контуром кольцаподшипника, ОЖ, удаление ПМ, покрытие ИЭ и переводна катод. На ОП наносится 1-ый слой ПМ с контуром торцевой крышки мотора, перенос на катод, ОЖ. На ОП наносится 2-ой слой ПМ с контуром боковых стенок, сердечников статора и вала, перенос на катод, ОЖ. Предварительно на ВП делают ЭП, и ПМ с контуром зазоров между витками обмотки статора, травят ЭП, удаляют ПМ, наносят новый слой ПМ с контуром щеки катушки статора, наносят на свободный участок слой полимера, удаляют ПМ и переносят щеки на катод. На ВП наносят новую ПМ с контуром зазоров между витками обмотки, заливают свободные участки полимером, ПМ удаляют, переносят на катод. На ОП повторяют 2-ой слой, переносят на катод, ОЖ. На ВП наносят ЭП и ПМ с контуром зазоров между новыми витками обмотки статора, травят ЭП, удаляют ПМ, наносят новый слой ПМ с контуром соединительного провода ( между слоями обмотки) и контуром межслойной электроизоляции, заливаются полимером свободные места, удаляется ПМ, перенос на катод и ОЖ ( соединительного провода) после переноса с ОП повтора 2-ого слоя. Затем идет повторение предыдущих операций по числу рядов витков обмотки статора. Потом с ВП переносится вторая щека катушек статора ( те же операции, что и с первой). Далее на ОП наносится 3-ый ПМ с контуром боковых стенок башмаков статора, оси, переносится на катод и ОЖ. 4-ый слой ПМ тот же, но без башмаков статора. На ВП наносится ЭП и МП с контуром зазоров обмотки якоря, травится ЭП, удаляется ПМ и наносится новая с контуром нижней обмотки якоря , ОЖ. Наносится ПМ с контуром диска якоря, заливается полимером, подращиваются боковые обмотки -ОЖ. Покрытие верха диска ЭП и ПМ с контуром зазоров верхней обмотки якоря, травление ЭП, удаление ПМ, нанесение нового ПМ с контуром обмоток якоря, ОЖ, удаление ПМ, перенос якоря на катод. Далее формовка и ОЖ еще одного слоя, как 3-ый на ОП + щетки. На ОП наносится 5-ый слой с верхней крышкой , осью. Предварительно на ВП формируется подшипник ( как первый) и изоляция щеток ( еще одна ПМ с контуром изоляции, заливка полимера, удаление ПМ, перенос на катод).

Оцените статью
Добавить комментарий