Nanopozycjonowanie: przyszłość obróbki skrawaniem

Jeśli kiedyś tysięczne części cala były uważane za wysoką precyzję, dzisiaj od niektórych narzędzi wymaga się dokładności sięgającej ułamków mikronów. Sterowane numerycznie nanoobrabiarki zaczynają być wykorzystywane przy wytwarzaniu precyzyjnych urządzeń pomiarowych.

Czterdzieści lat temu, w pierwszych dniach historii obrabiarek sterowanych numerycznie (CNC), standardowa dokładność obróbki wynosiła kilka dziesięciotysięcznych części cala. Wysoką precyzją określano natomiast tolerancję obróbki rzędu dziesiątych części tysięcznej części cala. Od tego czasu rozwój automatycznej obróbki skrawaniem pozwolił osiągnąć tolerancje sięgające poniżej jednego mikrona (1 μm), czyli 0,00004 cala!  
Podróżując po skali długości w kierunku ułamków mikrona, a nawet mniejszych wartości, wkraczamy w świat nanotechnologii – obiektów wielkości kilku setnych nanometra i mniejszych. Obowiązujące tutaj reguły są inne od tych, do których jesteśmy przyzwyczajeni. Konwencjonalne metody pomiaru stają się fizycznie niewykonalne. Urządzenia wykonawcze, które bazują na mechanizmach śrubowo-tocznych o wysokiej precyzji, nie zdają egzaminu.

Zmysłowe poznanie praw rządzących w świecie nano stanowi dla człowieka rzecz niemożliwą. Nanorzeczywistość jest po prostu całkowicie inna od naszych doświadczeń w skali makro. Naukowcy, którzy mają do czynienia z materią niewidzialną gołym okiem, po prostu na pamięć uczą się względnych wielkości nanoobiektów:  

  • dziesięć atomów wodoru zmieści się prawie dokładnie na 1 nm,
  • długość fali światła zielonego wynosi ok. 350 nm,
  • wymiary wirusów wahają się od kilku setnych do kilku dziesiątych nanometra,
  • szerokość cząsteczki DNA wynosi od 2,2 do 2,6 nm,
  • jedna cała cząsteczka DNA jest prawie widoczna, ma nawet do 73 milionów nm, czyli prawie 0,075 m długości,  
  • szerokości najmniejszych elementów najnowszych mikroprocesorów to ok. 45 nm.  

Poniżej 1 μm zestaw możliwych do wykorzystania technologii ulega znaczącej zmianie. Szybko przy tym wyczerpują się możliwe sposoby pomiaru i rodzaju urządzeń wykonawczych (silników), które bez problemu mogłyby zostać zastosowane w makroświecie.
Staje się to przedmiotem badań dla coraz większej liczby inżynierów, gdyż od coraz większej liczby urządzeń (silników) wymaga się dokładności pozycjonowania sięgającej dziesiątek nanometrów.  
Jednym z problemów w pracy takich urządzeń jest powolne przemieszczanie, z prędkościami rzędu nanometra na sekundę. To wolniej, niż rosną nasze włosy! Taka precyzja wymaga zastosowania urządzeń wykonawczych i pomiarowych o nietypowych własnościach. Poruszając się bardzo powoli, nie uzyskujemy zbyt wielu informacji o aktualnych położeniach pomiędzy kolejnymi zadanymi pozycjami napędu. A zatem wygenerowanie ruchu liniowego przy niewielkiej ilości informacji zwrotnych nie jest sprawą prostą.   
Stare umiejętności, nowe technologie  
Wbrew obiegowej opinii sporządzanie materiałów o rozmiarach rzędu nanometrów jest jedną z najstarszych znanych technologii. Jednym z przykładów są przepiękne kolory i detale malowideł w jaskiniach w Lascaux w południowo-zachodniej Francji, które powstały około 16 000 lat temu. Zostały one stworzone z wykorzystaniem umiejętności ścierania tlenków metali do postaci proszku, którego elementy miały rozmiary pojedynczych nanometrów.  
Nanopozycjonowanie zaczęło nabierać praktycznego znaczenia wraz ze stworzeniem przez naukowców IBM (Gerda Binninga i Heinricha Rohera) w 1981 roku skaningowego mikroskopu tunelowego (STM) i opracowanego w 1986 roku (przez Binninga, Calvina Quate i Christophera Gerbera) mikroskopu sił atomowych.  
Te urządzenia wykorzystują odwrotny efekt piezoelektryczny, przy którym pewne materiały krystaliczne, pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego, zmieniają swój kształt lub wymiary. Odwrotny efekt piezoelektryczny może zostać wykorzystany do wymuszenia nanoruchów na dwa sposoby:

  • bezpośredni napęd – struktura utworzona z materiału piezoelektrycznego bezpośrednio napiera na poruszany obiekt;
  • piezonapędy – szereg kryształów pobudzanych falami ultradźwiękowymi wytwarza ruch poprzez naprzemienne napieranie i zwalnianie, a więc pracę podobną do ruchów nóg gąsienicy.  

Odwrotny efekt piezoelektryczny jest niewielki. Zmiana grubości 10-milimetrowego piezoelektryku tytanowo-ołowiano-cyrkonowego o 100 nm wymaga przyłożenia różnicy potencjałów wynoszącej 2 670 V! Praktycznie więc urządzenia wykonawcze z napędem bezpośrednim wymagają łączenia wielu elementów. Ułożenie 100 warstw płytek piezoelektryku o grubości 0,1 mm każda, zasilanych równolegle, obniża wymagane napięcie stukrotnie – do 27 V.

Nanoprecyzyjne obrabiarki CNC wytwarzają doskonałej jakości elementy mechaniczne.
Wykorzystanie urządzeń wykonawczych z napędem bezpośrednim jest ograniczone do bardzo małych ruchów, rzędu 100 nm. Uzyskuje się jednak przy tym bardzo dużą rozdzielczość. Dla przykładu, powyżej 100-warstwowe urządzenie wykonawcze przy zmianie przyłożonego napięcia o 2,67 V zmieni swoje wymiary o 10 nm. Ciekawe, że urządzenia te pozwalają uzyskać siły sięgające 1 000 lb i przyspieszenia do 1 000 g.  
Piezonapędy rozwiązują problem ruchu przy ograniczonym zakresie przemieszczeń, zapewniając przy tym znakomitą rozdzielczość. Mogą wykonywać ruchy liniowe i obrotowe. Sposób działania urządzeń w wersji z ruchem liniowym jest łatwiejszy do zrozumienia. Można wyobrazić sobie dwie równoległe nieruchome struktury z trzpieniem poruszającym się centrycznie pomiędzy nimi. Do każdej ze struktur przymocowany jest rząd „ramion” (parzysta liczba), których wymiary pozwalają na kontakt z trzpieniem.

Przodkowie ludzi już 16 000 lat temu wykorzystywali do tworzenia pięknych malowideł starte do nanometrowych wielkości drobin proszki tlenków metali.
Każde ramię złożone jest z dwóch części: wzdłużnej „nogi”, która zmienia swoją długość pod wpływem przyłożonego napięcia, oraz zamocowanej na nodze „stopy”, która pod wpływem przyłożonego napięcia porusza się poprzecznie – bądź w jedną, bądź w drugą stronę. Ramiona przesuwają więc trzpień w określonym kierunku krokowo, przy długości kroku rzędu pojedynczych nanometrów. Przez wielokrotne powtarzanie takich kroków możliwe jest szybkie przesuwanie trzpienia w obu kierunkach, bez żadnych ograniczeń co do zakresu ruchu i zachowaniem nanometrowej dokładności.  
Piezonapędy obrotowe mogą działać w podobny sposób. Ramiona jednak nie są rozłożone wzdłuż prostego trzpienia, ale rozmieszczone na nieruchomym stojanie dotykają ruchomego obrotowego wirnika.  
Sterowanie ze sprzężeniem zwrotnym
Przy tak wysokiej precyzji pozycjonowania dokładność obróbki w olbrzymim stopniu zależy zarówno od jakości wykonania silników, jak też pozostałych elementów obrabiarki. Niekorzystny wpływ na zdolność wytwórców do zapewnienia wymaganych tolerancji mają między innymi problemy z rezonansami, tłumieniem mechanicznym, kłopoty z silnikami, takie jak zakleszczenia czy przesunięcia faz. Czynnikami, które dodatkowo pogarszają jakość pozycjonowania, są też szumy i zakłócenia elektryczne oraz zmiany napięcia na szynach. Do tego należy dodać jeszcze temperaturę i tarcie.
Wahania tych ostatnich wpływają nazmiany charakterystyk mechanicznych urządzeń i wprowadzają dodatkowe zakłócenia do układu regulacji pozycji.   

Nanopozycjonowanie wykorzystuje się do pozycjonowania i poruszania makroskopowymi obiektami w obróbce, diagnostyce i na wielu innych etapach produkcji.
Problem z nanosilnikami polega na tym, że działają inaczej, niż silniki konwencjonalne. Pokonanie trudności związanych z nieliniowością tych urządzeń wymaga od sterownika dużych częstotliwości próbkowania, mocy obliczeniowych oraz dużej elastyczności w implementacji specyficznych dla nanopozycjonowania algorytmów sterowania. Podczas gdy częstotliwości próbkowania kontrolerów dla typowych rozwiązań wynosi od 1 do 4 kHz, to częstotliwości wymagane w aplikacjach nanopozycjonowania sięgają 32 kHz. Chociaż sterowanie to wymaga dużych częstotliwości, wykonywane ruchy odbywają się przy ekstremalnie niskich prędkościach. Aby zapewnić stabilność w takim układzie regulacji, wymagane jest stosowanie algorytmów regulacji predykcyjnej.  
Nanodokładne czujniki  
Jednym z kluczowych warunków uzyskania nanoprecyzji pozycjonowania jest stosowanie nanoprecyzyjnych układów pomiarowych. Możliwych do wykorzystania technologii jest kilka, włączając w to: przetworniki pojemnościowe, magnetyczne, liniowe napięciowe czujniki przemieszczenia i enkodery optyczne. W przypadku badań problemów związanych z optyką jako urządzenie pomiarowe stosuje się również lasery interferometryczne. W artykule skupiamy się jedynie na pojemnościowych i optycznych technologiach pomiaru.  
W czujnikach pojemnościowych wykorzystuje się zmiany pojemności pomiędzy płytkami, które są rozmieszczone równolegle i w niedużej odległości od siebie. Ponieważ pojemność takiego układu jest odwrotnie proporcjonalna do odległości pomiędzy okładzinami, to przy ograniczonym zakresie ruchu nie jest trudno uzyskać nanoprecyzyjny pomiar przemieszczenia.
Typowo kondensatory wykorzystywane są do modyfikacji częstotliwości oscylatora krystalicznego, a nowoczesne układy pomiarowe częstotliwości mogą mieć bardzo wysokie dokładności. Jeśli pod wpływem zmiany odległości pomiędzy okładzinami kondensatora o 1 mm oscylator zmieni generowaną częstotliwość z 10 na 11 MHz, to przy czułości układu pomiaru częstotliwości rzędu 1 Hz, urządzenie takie zapewni rozdzielczość rzędu 1 nm/Hz.  
Z drugiej strony enkodery optyczne mogą zostać wykonane ze skalą rzędu kilkuset nanometrów. Osiągnięcie jeszcze większych dokładności wymaga interpolacji pomiędzy punktami podstawowymi skali. Załóżmy, że punkty podstawowe skali rozmieszczone są co 500 nm. Wtedy, jeśli będziemy mogli wyznaczyć 1 000 punktów pośrednich, zapewnimy rozdzielczość pomiaru rzędu 0,5 nm.
Układy nanopozycjonowania  
Układy nanopozycjonowania nie stanowią odrębnego problemu badawczego, lecz wykorzystują osiągnięcia i włączająsię w badania w takich dziedzinach nauki, jak: półprzewodniki, mikroelektronika, mechanika precyzyjna, nauki przyrodnicze, technika medyczna, optyka, fotonika czy nanometrologia. Poniżej podajemy przykłady problemów, które wymagają nanopozycjonowania, na jakie natrafia się w powyższych dziadzinach.
Obecny rozwój technologii półprzewodnikowej pozwala na wykonanie pojedynczych elementów w układach scalonych, które mają rozmiary rzędu dziesiątek nanometrów. Używane przez nas iPhony czy iPody stworzone zostały w technologii 32 nm. Po następnym kroku w ewolucji układy scalone będą produkowane w technologii 18 nm.  
Kontrola jakości płytek półprzewodnikowych wymaga wykrycia defektów na poziomie mniejszym niż jeden mikron. Pojedyncze piksele obrazowanej powierzchni odpowiadać więc muszą ułamkom mikrona. To powoduje, że aby utrzymać stałą prędkość skanu powierzchni, należy pozycjonować na poziomie nanometrów.
Stały wzrost pojemności dysków twardych wymaga zwiększania gęstości ułożenia ścieżek. To z kolei zmusza do osiągania nanometrowych rozdzielczości. Rozdzielczość ta jest wymagana, aby prawidłowo ułożyć ścieżki dysku. Przy 500 000 ścieżek na cal odległość między ścieżkami wynosi 50 nm.  
We współczesnym materiałoznawstwie naukowcy używają elektronowych mikroskopów skanujących do badania nanostruktur materiałów o wielkościach rzędu 25 nm. Nanoprecyzyjne pozycjonowanie wykorzystywane jest także do precyzyjnego rozmieszczania laserów i soczewek urządzeń optycznych, takich jak szerokopasmowe filtry optyczne.  
Większość z tych urządzeń jest obsługiwana całkowicie automatycznie. Jednym z powodów jest fakt, że nanopomiary odbywają się w środowisku o kontrolowanej temperaturze. A zatem sama obecność człowieka, który przecież stanowi źródło ciepła, może zakłócić pomiar.  
Przemysł maszynowy dopiero zaczyna wykorzystywać sterowane numerycznie nanoobrabiarki przy wytwarzaniu precyzyjnych urządzeń pomiarowych. Ostatnie targi, które odbyły się na przedmieściach Chicago, zgromadziły wszystkich przedsiębiorców z USA zajmujących się budową bardzo precyzyjnych stołowych obrabiarek CNC. Wszyscy zmieścili się… w niewielkim hotelowym lobby. Za pięć do dziesięciu lat będzie to już jednak całkowicie inny przemysł.
C.G. Masi

Artykuł pod redakcją dr inż. Pawła Dworaka