Высокие технологии и их рабочие процессы

2.1. Высокие технологии в машиностроении

Получение изделий высокого уровня все больше связывают с нетрадиционными конструкторскими и технологическими решениями, реализация которых не всегда возможна на основе традиционных технологий.

В связи с этим все большее внимание специалистов привлекают нетрадиционные технологии, созданию которых предшествует накопление обширных данных фундаментальных и прикладных наук. В отличие от традиционных (аналоговых), такие технологии называют «наукоемкими», «прецизионными», «ультра прецизионными», «нанотехнологиями» и др.

Термин «нанотехнологить » используется для определения систем оборудования и технологий, которые обеспечивают обработки с точностью порядка 1 нм. В более широком плане «нанотехнология занимается системами, новые функции и свойства которых зависят только от наноэффектов их компонентов», как звучит академическое определение понятия, которое дает союз немецких инженеров.

Известно, например, что в мир микроизделий могут вести два пути:

• можно из массивной заготовки, например, из графита соскабливанием или кремния шлифованием получать необходимое точное миниатюрное изделие (путь «сверху – вниз);

• можно взять отдельные, молекулы или частички из них, как из кирпичиков создать желаемую структуру (путь «снизу – вверх»).

Эти пути применяется в нанотехнологии, которая занимается структурами размером 1 до 100 нанометров (1 нм = 10 ^-9) и обобщается понятием высокие технологии.

Высокими следует считать такие технологии, которые, обладая совокупностью основных признаков (наукоемкость, системность, физическое и математическое моделирование с целью структурно-параметрической оптимизации, высокоэффективный рабочий процесс размерной обработки, компьютерная технологическая среда и автоматизация всех этапов разработки и реализации, устойчивость и надежность, экологическая чистота) при соответствующем техническом и кадровом обеспечении (прецизионное оборудование, оснастка и инструмент, определенный характер рабочей технологической среды, система диагностики, компьютерная сеть управления и специализированная подготовка персонала), гарантируют получение изделий, обладающих новым уровнем функциональных, эстетических и экологических свойств.

Наиболее общим и всеми воспринимаемым признаком высоких технологий является наукоемкость, системность (взаимосвязь всех элементов технологической системы)и рабочие процессы, в которых эффективно используются физические, химические, электрохимические и другие явления в сочетании со специальными свойствами инструмента и технологической среды (криогенное резание, диффузионное формообразование изделий из алмазов и т.п.).

Существенным признаком высоких технологий (ВТ) является автоматизация, базирующаяся на компьютерном управлении всеми процессами проектирования, изготовления и сборки, т.е. перехода к системам САD/САМ System.

Системный подход предполагает использование не отдельных математических моделей, а системы взаимосвязанных моделей с непременной параметрической и структурной оптимизацией.

Особое место в этом процессе занимает специально подготовленный персонал. Во взаимосвязанной системе «человек — техника — организация» человеческий фактор выдвигается на главенствующую роль и прежде всего в плане профессиональной подготовки, коммуникабельности, восприимчивости к новому, способности переучиваться

2.2. Рабочие процессы как основа высоких технологий

Рабочие процессы в машиностроении это такие процессы, в которых эффективно используются физические, химические, электрохимические и другие явления в сочетании со специальными свойствами инструмента и технологической среды (криогенное резание, диффузионное формообразование изделий из алмазов и т.п.). Ожидаемый результат высоких технологий не может быть получен, если рабочий процесс потенциально не обеспечивает достижения необходимого уровня свойств изделия.

Все существующие целевые рабочие процессы технологии машиностроительного производства можно разделить на восемь видов:

• деление- дозирование материала (пластическая деформация, резание, плавление испарение, сжигание);

• неразъемные соединения (механические, сварка, пайка, склеивание);

• формообразование (литье, порошковые технологии напыление, гальваника и др.);

• изменение механо- физико- химических свойств материала изделий (термообработка, упрочнение, оплавление, фазовый переход);

• размерная обработка (деформация, резание, гадьваника);

• сборка;

• контроль, диагностика, испытание.

Принципиальным отличительным признаком рабочих процессов ВТ от рабочих процессов в традиционных технологиях является их индивидуализация, более жесткая связь с требованиями, вытекающими из заданного уровня функциональных, экологических и эстетических свойств изделий.

Рабочий процесс обработки резанием является превалирующим: в общей структуре оборудования около 98% занимают металлорежущие станки (78% для лезвийной и 20% для абразивной) и только 2% оборудования для электрохимической и электрофизической (ЭХО и ЭФО) и комбинированной обработки.

Основные направления развития обработки резанием связаны с ее интенсификацией за счет новейших и синтеза существующих методов обработки. Основная тенденция смещения технологических показателей в размерной обработке в направлении более высоких степени точности и качества изменяет соотношение отдельных видов обработки: уменьшается объем токарной обработки за счет внедрения абразивной, увеличивается доля шлифования и, напротив, внедрение лезвийной обработки сверхтвердыми материалами может вытеснить абразивную обработку.

2.3. Классификация рабочих процессов по степени точности

В зависимости от предельно достижимой точности все рабочие процессы можно разделить на:

• обычные- от 100мкм до 5 мкм

•, точные (прецизионные)- от 10мкм до 0,5 мкм

• чрезвычайно точные (ультрапрецизиоппые) от 1мкм до 0,001 мкм

Каждое десятилетие происходило повышение точности на один класс по ISO и шероховатости до 0,001 мкм. Таким образом, новое тысячелетие технология размерной обработки отмечает переходом от микрометрического к нанометрическому диапазону точности.

Возможности рабочих процессов, па которых базируются нанотехнологии, приближаются к предельным, критическим, т.к. теоретическим ограничением точности при обработке материалов разделением кристаллической решетки являются размеры молекулы или атома вещества (0,2 0,4 нм).

Уже сегодня ультрапрецизионные обработки играют ключевую роль в производстве оптических, электронных, механических изделий, однако многие разрабатываемые прогрессивные технологии в настоящий момент не могут быть всецело применимы в широких масштабах, прежде всего с экономической точки зрения. Тем не менее, по мере своего развития эти достижения играют и в дальнейшем будут играть все возрастающую роль в развитии науки о материалообработке для традиционных промышленных технологий.

Поэтому сегодня достижение точности в манометрическом диапазоне являются не самоцелью, а средством достижения нового уровня тех или иных функциональных свойств изделия.

Таким образом, рабочие процессы ВТ, позволяющие достигать точности в манометрическом диапазоне, необходимо рассматривать прежде всего с позиций обеспечения принципиально нового уровня функциональных свойств изделий, а их технологические характеристики — как средство их достижения.

2.4. Порядок разработки рабочих процессов ВТ

Рабочие процессы, в частности, как и высокие технологии в целом жестко специализированы, тем не менее можно ориентироваться на такой порядок их разработки.

2.4.1. На этапе маркетинга оценивается изделие как совокупность потребительских свойств, а за тем определяется уровень тех потребительских свойств изделия, которые в состоянии обеспечить его конкурентоспособность.

2.4.2. Исходя их этого, определяются требования к качеству деталей, узлов, сборке в соответствии с уровнем функциональных, экологических и эстетических свойств конечного продукта.

2.4.3. Выделение из требуемых геометрических, механо-физико-химических параметров качества поверхности и поверхностного слоя деталей тех, достижение которых требует нетрадшшонных решений.

2.4.4. Определение традиционных критериев для уровня характеристик нетрадиционного рабочего процесса, потенциально способного обеспечить получение требуемых функциональных, эстетических и экологических свойств изделия.

2.4.5. Выявление предпосылок создания нового рабочего процесса на базе использования традиционнътх и нетрадиционнътх способов обработки и технического оснащения.

2.4.6. Создание физической и математической модели рабочего процесса и их теоретическое и экспериментальное всестороннее исследование.

2.4.7. Многопараметрическая оптимизация рабочего процесса (физические, технологические, экономические критерии).

2.4.8. Создание систем диагностики рабочего процесса и его технического оснащения.

2.4.9. Разработка технологического процесса на основе созданного рабочего процесса и его реализация.

2.4.10. Оценка соответствия реального уровня функциональных, эстетических, экономических свойств изделия требуемому.

Вопросы для самостоятельного контроля

1. Раскроите смысл понятия «высокие технологии».

2. Назовите основные признаки высоких технологий.

3. Что Вы понимаете под техническим и кадровым обеспечением ВТ?

4. Каковы требования к специалистам, занимающимися ВТ?

5. Дайте характеристику целевым рабочим процессам.

6. Приведите классификацию рабочих процессов по степени достигаемой точности.

7. Сгруппируйте виды обработки по степени достигаемой точности.

8. Дайте характеристику средств контроля поверхности и поверхностного слоя, применяемых в различных диапазонах точности обработки.

9. Оцените место рабочего процесса в высоких технологиях.

Лекция 3 (10)

«Нанотехнологии произведут такую же революцию в манипулировании материей, какую произвели компьютеры в манипулировании информацией»

Ralph Merkle (Xerox, Palo Alto)

3.1Принципы (типы) нанотехнологий

Нанотехнологии типа «снизу–вверх» (англ. «bottom–up»);

Нанотехнологии типа «сверху–вниз» (англ. «top–down»)

Принцип «снизу–вверх»

•Нанотехнологии типа «снизу–вверх» (англ. «bottom–up» nanotechnology) — технология получения наноструктурированных материалов, в которой реализуется образование наночастиц из атомов и молекул, т. е. достигается укрупнение исходных элементов структуры до частиц нанометрового размера.

К технологиям этого типа относятся такие методы, применяемые для получения изолированных наночастиц, нанопорошков и компактных наноматериалов, как газофазный синтез с последующей конденсацией паров; плазмохимический синтез; осаждение из коллоидных растворов; химическое и физическое осаждение пленок и покрытий из газовой фазы (CVD и PVD), плазмы или жидких растворов на подложку; электроосаждение пленок и покрытий; термическое разложение (пиролиз); детонационный синтез.

Принцип «сверху–вниз»

•Нанотехнологии типа «сверху–вниз» (англ. «top– down» nanotechnology) — технология получения наноструктурированных материалов, в которой нанометровый размер частиц достигается с

помощью измельчения более крупных частиц, порошков или зерен твердого тела.

•К технологиям этого типа относятся, например, методы, применяемые для получения компактных наноматериалов и нанопорошков из объемных заготовок: кристаллизация аморфных сплавов; интенсивная пластическая деформация; электрохимическое травление; упорядочение твердых растворов и нестехиометрических соединений.

• Междисциплинарность нанотехнологий определяется широким использованием физических, химических и биологических знаний и методов создания наноматериалов и наноструктур, а также важностью использования нанотехнологий для решения задач в различных областях человеческой деятельности, в том числе, в технике и медицине.

• Вклады знаний и мотиваций из различных областей приводят к синергизму и рождают новые знания, что является причиной бурного развития нанотехнологий.

Возможные опасности, связанные с нанотехнологиями: нанороботы. В 1986 г. вышла книга Э.Дрекслера «Машины созидания: наступление нанотехнологической эпохи», в которой предсказывалось доминирование нанороботов, способных в случае выхода из под контроля перерабатывать всю доступную им материю и биомассу, превращая окружающий мир в «серую слизь» (Grey Goo).

Нобелевский лауреат Р.Смолли подверг критике мрачный прогноз автора «Машин созидания», указав, что «если бы даже возможность саморазмножения нанороботов существовала, то одному такому вырвавшемуся из под контроля нанороботу,способному мультиплицировать себя со скоростью, 10⁶ атомов/сек потребовалось бы 20 10 ⁶ лет, чтобы накопить одну унцию продукта саморазмножения. Однако и этот результат невозможен, т.к. он потребовал бы огромных затрат энергии...»

Возможные опасности, связанные с нанотехнологиями:

§ нанотоксичность

Нанотоксикология (англ. Nanotoxicology) – это изучение токсичности наноматериалов, то есть наука о созданных наноустройствах и наноструктурах, имеющая дело с их воздействием на живой организм.

• Наноматериалы, созданные даже из инертных соединений, таких как золото, становятся высокоактивными на нанометровом диапазоне.

Токсичность могут проявлять как искусственно полученные наночастицы, так и наночастицы естественного происхождения из вулканических выбросов, атмосферы и т.д.

• Из-за квантовых эффектов и большой удельной площади поверхности у некоторых наночастиц проявляются необычные патогенные свойства.

Это в некоторых случаях может привести к токсическим эффектам (например, для легочной ткани).

• Некоторые наночастицы проявляют способность к перемещению с первоначального места расположения в удаленные участки, такие как кровь или мозг, что также может быть опасно для здоровья человека. • Возможную токсичность наночастиц и наноматериалов нужно учитывать при их использовании, например, в быту, в медицине и т.п.

«Нано» (от греч. nanos – карлик) обозначает одну миллиардную долю или 10 ^-9 часть чего-либо, например, 1 нм = 10 ^-9 м.

Нанотехнологии:

-знание и управление процессами, как правило, в масштабе 1 -100 нм в одном или более измерениях, когда ввод в действие размерного эффекта (явления) приводит к возможности новых применений;

-использование свойств объектов и материалов в нанометровом масштабе, которые отличаются от свойств свободных атомов или молекул, а также от объемных свойств вещества, состоящего из этих атомов или молекул, для создания более совершенных материалов, приборов, систем, реализующих эти свойства. (ISO/ТК 229, https://ru.wikipedia.org)

«Если при уменьшении объема какого-либо вещества по одной, двум или трем координатам до размеров нанометрового масштаба возникает новое качество, или это качество возникает в композиции из таких объектов, то эти образования следует отнести к

наноматериалам, а технологии их получения и дальнейшую работу с ними - к нанотехнологиям.» (Ж.И. Алферов)

Многие свойства твердых тел (температура плавления, электропроводность, область прозрачности, магнетизм и др.) при уменьшении кристалла до размеров 10-20 нм и меньше начинают зависеть от размера.

Таким образом, появляется возможность создавать новые материалы не путем изменения химического состава компонентов, а в результате регулирования размеров и формы частиц их составляющих

Нанокристаллы и наноструктуры – примеры измененения свойств веществ в наноразмерном состоянии.

Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ, англ. STM — scanning tunneling microscope) — вариант сканирующего зондового микроскопа, предназначенный для измерения рельефа проводящих поверхностей с высоким пространственным разрешением.

Просвечивающий (трансмиссионный) электронный микроскоп ПЭМ) — это устройство, в котором изображение от ультратонкого образца (толщиной порядка 100 нм) формируется в результате взаимодействия пучка электронов с веществом образца с последующим увеличением магнитными линзами (объектив) и регистрацией на флуоресцентном экране, фотоплѐнке или сенсорном приборе с зарядовой связью.

Первый ПЭМ создан немецкими инженерами-электронщиками

Максом Кноллем и Эрнстом Руской в 1931 г.

Лекция 3 (10)