Грабченко А.И. и др. Интегрированные генеративные технологии
Подождите немного. Документ загружается.
10
Раздел 5 Интегрированные генеративные технологии
переходного мм-мкм уровня ..................................................................... 244
5.1 Основные понятия ......................................................................... 244
5.2 Классификация методов послойного
газотермического выращивания покрытий ..................................... 245
5.3 Технологии послойного газотермического
наращивания покрытий ...................................................................... 248
5.3.1 Газопламенное наращивание .............................................. 248
5.3.2 Детонационное покрытие .................................................... 251
5.3.3 Электродуговая металлизация ............................................ 252
5.3.4 Метод выращивания покрытий из плазмы ........................ 254
5.3.5 Высокочастотное плазменное наращивание (ВЧ
– плазменное наращивание) ......................................................... 255
5.3.6 Индукционный метод наращивания покрытий................. 257
5.4 Преимущества и недостатки газотермических
технологий наращивания покрытий ................................................. 259
5.5 Применение газотермических покрытий .................................... 261
5.6 Вопросы для самостоятельного контроля .................................. 264
Раздел 6 Интегрированные генеративные технологии
микроуровня ................................................................................................. 265
6.1 Основные понятия ......................................................................... 265
6.2 Механизмы образования покрытий методом
испарения или распыления и конденсацией в вакууме .................. 270
6.3 Вакуумные методы выращивания покрытий ............................. 274
6.4 Ионное (катодное) распыление ................................................... 280
6.5 Ионно-термическое выращивание .............................................. 283
6.6 Выращивание покрытий из плазмы электродугового
разряда с горячим катодом ................................................................ 285
11
6.7 Выращивание покрытий из плазмы электродугового
разряда с холодным катодом ............................................................. 286
6.8 Метод активированного реакционного испарения .................... 288
6.9 Электронно-лучевое плазменное выращивание покрытий ................... 291
6.10 Синтез многослойных ионно-плазменных покрытий
в одновакуумном цикле ..................................................................... 293
6.11 Метод ионного осаждения ......................................................... 294
6.12 Методы оценки качества пленочных покрытий ...................... 295
6.13 Работоспособность режущих инструментов с покрытиями ............... 299
6.14 Заключение .................................................................................. 312
6.15 Вопросы для самостоятельного контроля ................................ 312
Раздел 7 Интегрированные генеративные технологии
наноуровня .................................................................................................... 314
7.1 Особенности реализации интегрированных
генеративных технологий на нанометровом уровне ...................... 314
7.2 Основные термины и определения.............................................. 316
7.3 Генеративные методы получения наноматериалов ................... 321
7.3.1 Элементарные объекты интегрированных
генеративных нанотехнологий .................................................... 321
7.3.2 Атомно-молекулярная сборка (механосинтез) с
помощью сканирующей зондовой микроскопии ....................... 322
7.3.3 Самосборка ........................................................................... 327
7.3.4 Атомные кластеры как элементарный объект
нанотехнологий ............................................................................. 331
7.3.5 Наноориентированные технологии
конструирования поверхности ..................................................... 334
7.3.5.1 Нанослойные покрытия ......................................... 335
7.3.5.2 Нанокристаллические покрытия ........................... 337
7.3.5.3 Многослойные наноструктурные
покрытия .............................................................................. 339
12
7.3.6 Углеродные наноматериалы и их получение .................... 340
7.3.6.1 Фуллерены ............................................................... 341
7.3.6.2 Углеродные нанотрубки ........................................ 347
7.4 Основные свойства наноматериалов ........................................... 349
7.4.1 Особенности структуры наноматериалов .......................... 350
7.4.2 Механические свойства ....................................................... 354
7.4.3 Физические свойства ........................................................... 359
7.4.4 Химические свойства ........................................................... 361
7.4.5 Классификация наноматериалов ........................................ 362
7.5 Основные области применения наноматериалов и
нанотехнологий ................................................................................... 366
7.5.1 Создание нового поколения конструкционных
материалов ..................................................................................... 366
7.5.2 Создание нового класса инструментальных
наноматериалов ............................................................................. 368
7.5.3 Функциональные покрытия ................................................ 369
7.5.4 «Интеллектуальные» материалы ........................................ 370
7.5.5 Молекулярная и наноэлектроника ..................................... 372
7.5.6 Нанофотоника ....................................................................... 377
7.5.7 МЭМС и НЭМС-технологии .............................................. 380
7.5.8 Нанобиотехнология и наномедицина .............................. 383
7.6 Хронология создания и развития нанотехнологий .................... 385
7.7 Потенциал и перспективы развития ............................................ 392
7.8 Вопросы для самостоятельного контроля .................................. 397
Заключение .......................................................................................... 400
Приложение ......................................................................................... 402
Литература ........................................................................................... 408
13
ВВЕДЕНИЕ
Человечество вступило в XXI с оптимистической уверенностью в
том, что развитие технологий позволяет решить многие проблемы, с
которыми приходится ему сталкиваться, ответить на многие вызовы,
касающиеся всех сторон его существования. Этот век в большой мере
авансом назван веком технологий.
Окружающий человека мир полон загадок и одновременно
гениальных подсказок. Научиться их отгадывать и понимать – значит,
добиваться прогресса во всем.
От первого заостренного кола и каменного топора человечество,
созидая, реализовывало принцип «от большого к малому», «сверху вниз»,
т.е. принцип, базирующийся на разделении объемов на полезные и «не
нужные части». А растительный мир природа создавала по принципу «от
малого к большому», «снизу-вверх», формируя только то, что «нужно»
путем послойного наращивания, генерирования.
Осознание всего этого и привело к созданию основ интегрированных
генеративных технологий, разработке принципов их реализации в самых
различных отраслях – от промышленных до гуманитарных: наука,
промышленность, образование, медицина.
В общем разработка и реализация интегрированной технологии, в
том числе и генеративной, становится возможной тогда, когда в каждой
из интегрируемых областей науки, техники, технологии,
материаловедения и т.д. достигнут необходимый новый уровень
развития. Так было, например, с созданием синтетических алмазов: теория
синтеза предложена академиком О.И. Лейпунским еще в 30-е годы, но
лишь к середине 60-х прошлого века достижения материаловедения,
кристаллографии, теплофизики, физики и техники высоких давлений и др.
создали необходимые условия сначала для лабораторного, а затем и
промышленного синтеза алмазов и др. сверхтвердых материалов.
В учебном пособии материал излагается в соответствие с
концепцией трех уровней интегрированных генеративных технологий.
Во временной цепочке традиционного создания продукта – период
между возникновением идеи и выходом его на рынок – значительная доля
приходится на изготовление моделей, прототипов и образцов изделия. В
рамках интегрированных технологий задача значительного сокращения
этой доли решается наиболее успешно. Все это требует изменения
идеологии проектирования и изготовления изделий. В сочетании с
возможностями многокоординатной обработки генеративные
14
технологии снимают все ограничения по сложности конструкции и
создают широчайшие предпосылки для кардинального совершенствования
производства, резкого сокращения времени изготовления и затрат.
Все эти составляющие единого процесса имеют общую идеологию и
принципы, в основе которых лежит прямой переход от 3D CAD образа
непосредственно к изделию без применения оснастки, инструмента,
технологических сред и т.д. Трехмерное твердое тело (изделие) получают
генеративным путем. Например, на первом этапе образ изделия задается
аналитически, чертежом, файлами компьютерных томограмм или
фотографиями. На этой основе создается математическая трехмерная
модель конструкции объекта; виртуальный инжиниринг позволяет
оптимизировать конструкцию по тем или иным критериям; далее
трехмерная математическая модель послойным наращиванием
материализуется (полимер, керамика, бумага, металл и др.).
В 2001 году при НТУ «Харьковский политехнический институт»
создан единственный в Украине учебно-научно-производственный центр
высоких интегрированных технологий, базирующихся на идеологии и
технике послойного выращивания. Истекшие годы продемонстрировали
глубокий интерес промышленных предприятий Украины к возможностям
генеративных технологий макро-, микро- и наноуровней.
В учебном пособии впервые излагается концепция трех уровней
генеративных технологий, сконцентрированное обобщение информации,
собранной из многих независимых источников и собственного опыта, что
может быть достаточным для понимания преимуществ новых подходов не
только для быстрого создания прототипов или собственно изделий в
сопоставлении с традиционным прототипированием и изготовлением, но и
для понимания идеологии интегрированных генеративных технологий, их
огромных потенциальных возможностей и безграничных областей
эффективного их применения.
Раздел первый посвящен характеристике тенденций современного
промышленного производства, развития интегрированных технологий,
содержит основные понятия и определения, относящиеся к
интегрированным генеративным технологиям макро-, микро- и наноуровня.
Во втором разделе рассматриваются физические основы процессов
послойного выращивания изделий из материалов в твердом, жидком,
газообразном и плазменном состоянии.
Раздел третий посвящен интегрированным генеративным
технологиям макроуровня. Рассматривается их структура, роль 3D CAD
15
моделирования в создании электронного образа изделий, физические
основы послойного выращивания изделий, суть способов прямой
материализации трехмерной математической модели, предлагается их
классификация. Излагаются принципы базирования электронного образа
изделия, его точность и качество, верификация, порядок определения
технологического времени, постпроцессы и интеграция генеративных
технологий ускоренного формообразования инструмента, технологической
оснастки и производства конечных изделий.
В четвертом разделе рассматриваются методы послойного
наращивания на переходном от макро- до микроуровня – «см-мм».
Пятый раздел посвящен генеративным технологиям мм-мк уровня.
В шестом разделе рассматриваются интегрированные генеративные
технологии микроуровня – формообразование поверхностного слоя
изделий, принцип конструирования поверхности и поверхностного слоя
последовательным наращиванием. Излагается широкий спектр методов
послойного наращивания объемов изделия в границах микрометрического
диапазона – химические, химико-термические, вакуумно-плазменные,
имплантация, ионно-термические, катодные, комбинированные наплавки и
др., а также их потенциал, области применения и перспективы развития.
В разделе 7 рассматриваются области нанотехнологий, которые
связаны с реализацией генеративного принципа при создании
элементарных нанообъектов, вопросы атомно-молекулярной сборки,
самосборки, синтеза атомных кластеров, покрытий, многослойных
наноструктурированных и углеродных материалов, физико-механические
и другие свойства наноматериалов, направления и области их применения,
потенциал и перспективы развития.
Динамика развития генеративных технологий такова, что новые
знания, новый опыт и новые достижения в ближайшие годы внесут
существенные изменения в наши представления в этой области, что,
несомненно, отразится и на дидактической стороне, в содержании
учебников в последующих изданиях.
Авторы с благодарностью примут все замечания и советы по
структуре и содержанию этого издания.
16
РАЗДЕЛ 1
ИНТЕГРИРОВАННЫЕ ГЕНЕРАТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
И ИХ МЕСТО В СОВРЕМЕННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ
1.1 Основные тенденции развития современного производства
Вступление в XXI век характеризуется как время грандиозных
достижений человечества во всех областях его жизнедеятельности и
прежде всего в области промышленного производства. Вместе с тем
характеризовать его необходимо с учетом того непреложного факта, что
уровень достижений в различных странах и отраслях существенно не
одинаков, и эта дифференциация имеет как объективные, так и
специфические причины. Но главные тенденции развития
машиностроительного производства можно рассматривать на примере
промышленно развитых стран.
В условиях глобализации экономики каждая страна формирует и
проводит государственную промышленно-экономическую политику,
направленную на развитие определенных отраслей. В ходе такого рода
процессов четко проявляются тенденции, характеризующие
интегрированную отраслевую направленность экономики различных стран:
– государства, в хозяйственной структуре которых преобладают
перерабатывающие отрасли производства, опирающиеся на высокие
технологии, то есть страны, поставляющие на рынок конечные товары и
услуги высокоорганизованных отраслей. Эти страны определяются как
наиболее развитые;
– государства, где преобладают добывающие отрасли, то есть
страны, в существенной мере живущие за счет ресурсов, данных природой,
и которые по причине слабого развития обрабатывающих отраслей
зачастую даже эти ресурсы поставляют на мировой рынок не как конечный
продукт, а как исходное сырье для последующей переработки. Такие
страны представляются как слаборазвитые.
Задача государственной экономической политики заключается в
выработке промышленной концепции и хозяйственного механизма,
опираясь на приоритетные отечественные отрасли, которые обеспечат
стране должный уровень развития обрабатывающих отраслей в рамках
международного разделения труда.
17
Сегодня рынок диктует свои требования, которые необходимо
учитывать на всех этапах создания товарной продукции – от идеи,
конструирования, производства до депроизводства.
Крупномасштабные достижения высокотехнологичных гибких
производств, реальная возможность осуществлять технологическое
управление формированием наперед заданных свойств изделий, резко
возросшая роль информационных технологий на всех этапах жизненного
цикла изделия, быстрое создание и освоение производства новых
продуктов при увеличении номенклатуры и уменьшении их количества в
партии, чрезвычайно перспективное стремление к миниатюризации
изделий, все более широкое использование искусственного интеллекта,
ориентация производства и депроизводства на все более полную
гармонизацию с окружающей средой – все это относится к спектру
основных черт, которыми можно характеризовать индустриальное
производство промышленно развитых стран сегодня.
Экономика с замкнутым циклом, которая осуществляет полный
контроль материалов по виду и количеству и экологически бережное
отношение к ним на всем протяжении срока службы изделия,
одновременно сберегает насколько возможно собственные ресурсы,
применяет индустриальное производство и его технику, делает его
«уживчивым» с окружающей средой, стала главной задачей инженеров,
физиков, химиков и технологов на производстве, встречает все большее
понимание в обществе и находит отражение в принимаемых законах.
На основе новейших научных достижений в области физики
твердого тела, физики высоких давлений, оптики, биохимии,
микроэлектроники и др. создано множество новых технологий, которые
привели к революционным изменениям в товарном насыщении в таких
отраслях, как энергетика, транспортная техника, коммуникации,
компьютерная техника, генная инженерия и т. д.
Научно-технический прогресс и конкуренция, диктующие
необходимость снижения издержек производства одновременно как в
процессе производства конкретного продукта (то есть в рамках цели
производства), так и в системе исполнительного механизма (то есть
непосредственно в производственной структуре) приводят к тому, что
многие крупнейшие ранее узкоспециализированные фирмы становятся
многопрофильными. В этих условиях отраслевая направленность
проявляется уже не в форме специализированной фирмы, а в конкурентной
борьбе многопрофильных предприятий, анализ функционирования
18
которых в настоящее время приобретает все большее значение как в
аспекте производства того или иного товара, так и в характере действий
производственных структур – изготовителей того или иного продукта,
представляемого на отраслевых рынках.
Глобализация, создание международных стратегических альянсов
привело к тому, что конкуренция между предприятиями приняла
интернациональный характер. Поэтому разработка и освоение новых
технологий имеет значение уже не только для отдельных предприятий, но
и для отрасли в целом. Это означает, что стимулирование разработок
новых технологий диктуется как внутрифирменными интересами, так и
интересами всей отрасли. Уникальным явлением можно считать
ориентацию стран Европейского Союза на создание единой
технологической платформы, позволяющей сделать достоянием всего
сообщества национальные достижения каждой страны-участницы.
Ориентирование на новые технологии и быстрый прогресс
производственной техники привело к возникновению прогрессивной и
гибкой концентрации производства, которая нашла свое выражение в
концепции компьютеризированного интегрированного производства
(СІМ). Сокращение длительности производственного цикла, уменьшение
фондов, запасов в соединении с изготовлением продукции по принципу
«точно во время» дало производству определенные резервы.
Одновременно производственные процессы и станки стали соединяться в
сложные высокопроизводительные системы, в которых технологические и
организационные цепочки все зависят друг от друга.
Инвестиции в гибкие производственные системы усиливают
необходимость их максимального использования по времени и
техническим возможностям. Ошибки и нарушения процесса быстрее
приводят к простоям этой дорогой системы, чем при традиционном или
ручном изготовлении. Согласно исследованиям многие ошибки и
нарушения процесса изготовления вызваны не производственным
оборудованием и не в цепочке непосредственного процесса обработки, а
преимущественно в области планирования и снабжения
Для того, чтобы иметь конкурентоспособное производство, надо
научиться обеспечивать работу сложных компьютерных производств с
максимальной производительностью и качеством. Высокоразвитое
прогрессивное производство с высококвалифицированным персоналом
имеет дополнительные преимущества в том случае, если речь идет об
освоении сложных комплексных процессов.
19
Таким образом, СІМ может рассматриваться как глобальная
ведущая концепция промышленного производства второй половины XX
столетия.
Наибольшего прогресса в освоении СІМ достигли крупные предприятия
авиа- и автомобилестроения, электронной индустрии. Практика показала, что
и этому авангарду промышленного производства не удалось в полной мере
реализовать концепцию СІМ, но стало общепризнанным, что только СІМ в
состоянии активизировать обширный потенциал рационализации во всех
областях производства (рис. 1.1).
Рисунок 1.1 – Функции компьютеризированного интегрированного производства
Высокая стоимость рабочей силы и непродолжительный рабочий
день, а также постоянный контроль исполнения производственных
заданий ускоряют процесс применения автоматизированного
производства. Однако полная автоматизация и компьютеризация
производства является еще только теорией.
Важнейшим этапом развития производства стала реализация
японской концепции «Lean Production» – «тощего производства».