Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko Smetanova ulica Maribor, Slovenija MITJA BABIČ GRADNJA MIKROSTRUKTUR Z NANOROBOTSKO

Transkripcija

1 Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko Smetanova ulica Maribor, Slovenija MITJA BABIČ GRADNJA MIKROSTRUKTUR Z NANOROBOTSKO CELICO Diplomsko delo Maribor, avgust 2015

2 GRADNJA MIKROSTRUKTUR Z NANOROBOTSKO CELICO Diplomsko delo Študent: Študijski program: Mitja Babič Visokošolski strokovni Elektrotehnika Smer: Mentor: So-mentorica: Avtomatika in robotika red. prof. dr. Riko Šafarič doc. dr. Suzana Uran

3 i

4 ZAHVALA Zahvaljujem se mentorju red. prof. dr. Riku Šafariču in so-mentorici doc. dr. Suzani Uran za pomoč in vodenje pri diplomskem delu. Posebej se še zahvaljujem asist. dr. Božidarju Bratini za vso nudeno pomoč, razlago in podporo v laboratoriju. Prav tako se zahvaljujem staršem, ki so mi omogočili študij ter mi skozi celotno študijsko izobraževanje stali ob strani in me podpirali. ii

5 Gradnja mikrostruktur z nanorobotsko celico Ključne besede: robotika, nanorobot, sintranje, gradnja, mikrostruktura UDK: [620.3:007.52]: (043.2) Povzetek V diplomski nalogi je predstavljen postopek gradnje zobnika in osi iz polistirenskih kroglic s pomočjo nanorobotske celice. Kroglice so s prostim očesom nevidne ker so tako majhne. Zato uporabljamo mikroskop s kamero, katera je povezana z računalnikom. S tem imamo omogočen pogled na kroglice in na potek gradnje mikrostrukture. Sama gradnja mikrostruktur poteka z nanorobotsko celico v vakuumski komori. Zgrajene objekte s postopkom sintranja sprimemo skupaj tako, da objekt, ki je zgrajen iz več med seboj dotikajočih se polistirenskih kroglic postane trdno sprijet. S tem je končna mikrostruktura dosti bolj odporna na raznorazne vibracije, premike, padce in podobno. iii

6 Building microstructures with nanorobotic cell Key words: robotics, nanorobot, sintering, building, microstructure UDK: [620.3:007.52]: (043.2) Abstract The purpose of the following thesis is to represent the process of building the sprocket and axis out of polystyrene beads with help of the nanorobotic cell. The beads are no visible to the naked eye because they are so small. That is why we use a microscope with a camera, which is connected to the computer. By doing that, we can observe beads and the building process of the microstructure. The building of microstructures is being held in a vacuum chamber with nanorobotic cell. The sintering process sticks together built facilities, to assure that the facility, which is built out of many mutually contacting polystryene beads, becomes firmly adherent. With that the final microstructure is more resilient to all kinds of vibration, movements, drops, etc. iv

7 Kazalo vsebine 1. UVOD Nanorobotika Cilji in motivacija diplomskega dela Opis vsebine OPIS NANOPRECIZNE ROBOTSKE CELICE Opis mehanizma Izdelava konice Opis programske opreme SANACIJA NANOROBOTSKEGA MEHANIZMA Nastale težave in rešitve Potek sanacije nanoprecizne robotske celice IZGRADNJA MIKROSTRUKTUR Predstavitev problema Postopek sintranja polistirenskih kroglic Priprava na gradnjo zobnika Gradnja osi in zobnika Eksperimenti natikanja zobnika na os Poskus gradnje reduktorja ZAKLJUČEK VIRI IN LITERATURA...38 v

8 Kazalo slik Slika 1.1: Primer nanorobota prihodnosti... 2 Slika 2.1: Blokovna shema sistema... 4 Slika 2.2: Dvostopenjski peltier... 5 Slika 2.3: Temp. tipali na peltierjema... 6 Slika 2.4: Zgradba PE motorja... 6 Slika 2.5: Delovanje PE nogic... 7 Slika 2.6: Zgradba inkrementalnega dajalnika... 7 Slika 2.7: Postopek zagona črpalk... 8 Slika 2.8: Odrezan konec žičke... 9 Slika 2.9: Izdelava konice...10 Slika 2.10: Začetno okno LabView...11 Slika 2.11: Projekt t_polinom...11 Slika 2.12: Datoteka t_polinom...12 Slika 2.13: Okno za manipuliranje nanorobotske celice...13 Slika 3.1: Stojalo za mikroskop s kamero...16 Slika 3.2: Nepravilno delovanje sile...16 Slika 3.3: Ogrodje nanorobotske celice...17 Slika 3.4: Sestavni deli Y osi...18 Slika 3.5: Sestavni deli Z osi...18 Slika 3.6: Sanirana nanorobotska celica...19 Slika 4.1: Gretje jeklene plošče...21 vi

9 Slika 4.2: Gretje mikrostrukture...21 Slika 4.3: Uspešno in neuspešno sintranje...22 Slika 4.4: Namestitev stekelca...22 Slika 4.5: Priprava na gradnjo...24 Slika 4.6: Kontrolni predel sistema...25 Slika 4.7: Zgrajeni osi...26 Slika 4.8: Zgrajeni obroč in zobnik na prvi princip...27 Slika 4.9: Zgrajeni zobnik na drugi princip...28 Slika 4.10: Potek gradnje zobnika...29 Slika 4.11: Zgrajena zobnika na tretji princip...29 Slika 4.12: Zgrajeni obroč in zobnik na četrti princip...30 Slika 4.13: Trganje osi...31 Slika 4.14: Zobnik na konici...32 Slika 4.15: Podnožje...33 Slika 4.16: Prilepljena kroglica na sredini zobnika...34 Slika 4.17: Zobnik na spodnjem delu konice...34 vii

10 1. UVOD 1.1. Nanorobotika Nanorobotika je še komaj nastajajoča tehnologija ustvarjanja strojev ali robotov, katere komponente so blizu obsega nanometra ali 10-9 m. Ena od glavnih idej nanotehnologije je zgraditi nanorobote, ki bi imeli zmožnost premikanja posameznih atomov. Ti roboti bi imeli robotsko roko veliko nekaj atomov, s katero bi lahko npr. zbirali atome iz okolice ter pritrjevali na druge atome. Nanoroboti bi gradili molekulo za molekulo in s tem sestavljali kompleksne strukture. Iz teh struktur bi se potem zgradile delujoče naprave npr. nanomotor. Za ustrezni nadzor in upravljanje nanorobota, bi vsak imel v sebi ustrezni sprejemnik in oddajnik. Nanostroji so v večji meri še v raziskavah in razvojni fazi, toda nekateri molekularni stroji in nanomotorji so bili že testirani. Na primer senzor, ki je sposoben štetja specifičnih molekul v kemičnih vzorcih. Prvi nanoroboti se že uporabljajo v medicini ali t.i. nanomedicini. Ker so tako zelo majhni se z lahkoto gibljejo po celem telesu, pri čemer jih telo zaradi majhnosti ne zazna. Imajo zmožnost popravljanja tkiv in zmožnost ozdravljanja nekaterih bolezni. Znanstveniki pa napovedujejo, da bi naj nanoroboti v bližnji prihodnosti bili sposobni izvajati operacije brez človeškega posega v telo. Ena od idej je tudi zgraditi nanorobote, ki bi jih lahko uporabili za identifikacijo in uničevanje rakavih celic. Tudi uporaba nanorobotov v gradbeni industriji bi prišla v poštev, saj bi zaradi številčnosti bili sposobni graditi hiše, ceste in druge objekte. Nanoroboti bi imeli možnost preživetja v pogojih, kjer so človeku onemogočene, npr. v visokih temperaturnih območjih, v območju kislin itd. Ena potencialna alternativa je tudi narediti detektor strupenih kemikalij in meritve njihovih koncentracij v okolju. V glavnem možnosti kjer vse bi lahko uporabljali nanorobote je skoraj neskončno. Vendar pri nanotehnologiji hitro naletimo na težave. S prvo težavo se srečamo že takoj na začetku, se pravi pri sami izdelavi nanorobotov. Saj je izgradnja samih nanorobotov dolgotrajna in zelo težavna. Posledično je še trenutno iz praktičnega vidika nemogoče narediti dovolj robotov, ki bi služili vsakdanji uporabi. Druga težava nastane v robustnosti. Ti nanoroboti se namreč zaradi svoje majhnosti zelo hitro uničijo ali poškodujejo. Ena od rešitev bi bila reprodukcija ali t. i. samo-izgradnja nanorobotov. Če bi imeli možnost reprodukcije kot npr. celice v živih organizmih, bi se njihovo število lahko 1

11 hitro povečevalo. S tem bi bila tudi proizvodnja nanorobotov cenejša in ne preveč zamudna. Slika 1.1 nam prikazuje primer nanorobota prihodnosti, ki bi se uporabljal v medicinske namene. Na sliki je lepo prikazano kako robot operira s krvničko. Slika 1.1: Primer nanorobota prihodnosti 1.2. Cilji in motivacija diplomskega dela Glavni cilj diplomskega dela je bil zgraditi tridimenzionalni objekt s pomočjo nanorobotske celice. Ta objekt bi nam predstavljal zobnik, ki je nataknjen na os zobnika. Dodatno bi zgradili še eno os zobnika in še en zobnik, katerega bi nataknili na os. Potem bi imeli zgrajena dva zobnika nataknjena na osi, ki bi ju med seboj združili oz. ju med sabo sklenili, tako da bi nam končni objekt predstavljal reduktor. V preteklosti so se v laboratoriju razvijali in gradili objekti s pomočjo steklenih kroglic, ki so v velikosti med 2 µm in 100 µm. Kroglice so bile med seboj sprijete le s pomočjo Van der Waals-ove sile. Ta sila nastane med njimi, ko kroglice med seboj povežemo s pomočjo nanorobotske celice. Zdajšnji objekt je bil izdelan iz polistirenskih kroglic, ki so v velikosti 30 µm. S to razliko, da so bile kroglice, ki so bile med seboj sprijete s pomočjo Van der Waals-ove sile, kasneje trdno sprijete. To smo dosegli s postopkom sintranja. S tem je postal končni objekt dosti bolj odporen na raznorazne vibracije, premike, padce in podobno. 2

12 1.3. Opis vsebine Diplomska naloga je sestavljena iz petih večjih poglavij in sicer iz uvoda, opisa nanoprecizne robotske celice, sanacije nanorobotskega mehanizma, izgradnje mikrostruktur in zaključka. Uvod nam predstavlja nanotehnologijo, ki zavzema področje nanorobotike. Na kratko je opisan pojem nanorobotika, glavne ideje nanotehnologije v bližnji in daljni prihodnosti, kje vse so nanoroboti že dandanes v uporabi, problemi na katere naletimo v nanotehnologiji in morebitne rešitve. Predstavljeni so tudi glavni cilji diplomske naloge, katere namen je bil zgraditi robusten tridimenzionalni objekt. V opisu nanoprecizne robotske celice je opisano in razloženo delovanje posameznih komponent nanoprecizne robotske celice, kot so vakuumska komora, črpalke, prikazovalniki temp., sama robotska celica in preostale komponente. Opisana je izdelava nove konice, ki je bila razvita v času mojega diplomskega dela. Predstavljeno je tudi operiranje s samo programsko opremo, preko katere vodimo nanorobotsko celico, določamo temp. peltierjev in drugi možni ukazi. Tretje poglavje, ki predstavlja sanacijo robotskega sistema opisuje težave na katere smo naleteli v času mojega diplomskega dela in rešitve s katerimi smo jih odpravili. Predstavljena je celotna sanacija nanorobotske celice, ki je bila nujno potrebna saj so se začele pojavljati težave s piezoelektričnimi (v nadaljevanju PE) motorji in nihanjem mizice. V poglavju izgradnja mikrostruktur so najprej predstavljene nekatere predhodne metode s katerimi so v laboratoriju gradili mikrostrukture. Potem je opisana na novo uporabljena metoda za sprijemanje polistirenskih kroglic in sicer metoda sintranja, ki je bila razvita v času mojega diplomskega dela. Predstavljena je priprava za uspešno gradnjo mikrostruktur, v našem primeru gradnjo zobnika in osi. Opisani so tudi eksperimenti natikanja zobnika na os in poskus gradnje reduktorja. V zadnjem poglavju to je zaključku, so na kratko povzeti rezultati glavnega cilja diplomske naloge, opisane so dobre in slabe strani uporabljenih metod za uspešno gradnjo mikrostruktur. Navedene pa so tudi možne izboljšave uporabljenih metod in predlogi za nadaljnjo razvijanje. 3

13 2. OPIS NANOPRECIZNE ROBOTSKE CELICE 2.1. Opis mehanizma Celotni nanoprecizni robotski sistem je sestavljen iz optičnega mikroskopa, kamere, vakuumske komore, oljne vakuumske črpalke, turbomolekularne črpalke, prikazovalnikov tlaka in temperatur, merilnika tlaka, nanoprecizne robotske celice in hladilnega sistema. Seveda pa je še prisotna ustrezna elektronika in krmilniki, ki poskrbijo za pravilno komunikacijo in delovanje med strežnikom, uporabnikovim računalnikom in seveda vso strojno opremo. Slika 2.1 nam prikazuje blokovno shemo celotnega sistema. Slika 2.1: Blokovna shema sistema 4

14 Nanoprecizna robotska celica je sestavljena iz aluminijastega kvadra na katerem so nameščeni trije linearni PE motorji. Vsak motor nam služi kot aktuator za pomik v določeni smeri. En motor služi za pomik X osi, drugi motor služi za pomik Y osi in tretji za pomik Z osi. Po X osi se pomikamo levo in desno, po Y osi se pomikamo naprej in nazaj ter po Z osi se pomikamo gor in dol. PE motorji imajo zmožnost ustvarjanja zelo majhnih pomikov, značilna je dobra dinamika in v svojem mikro svetu lahko premagujejo dokaj velike sile (maksimalno 6 N). Na Y in Z osi imamo nameščeni aluminijasti glavi v kateri je nameščen dvostopenjski peltierjev člen, ki je pritrjen na hladilno telo. Ta nam služi za ohlajanje in segrevanje konice ter mizice. Peltierjev člen še drugače imenujemo termoelektrični hladilnik. Delujejo po principu direktne pretvorbe električne napetosti v temperaturno (v nadaljevanju temp.) razliko. Ko steče električni tok skozi spoja, ki sta iz dveh različnih polprevodnikov (n in p tip) ali kovin, pride na tem spoju do razlike v temp., kar imenujemo Peltierjev efekt. Ker pride do temp. razlike, skozi kovino steče toplotni tok. Slika 2.2 nam prikazuje primer dvostopenjskega peltierja. Iz vakuumske komore moramo odvajati odvečno toploto, ki se pojavi na toplih straneh peltierjev, ko ohlajamo mizico in konico. To smo rešili z zunanjim tekočinskim hlajenjem, za kar poskrbi membranska vodna črpalka. Ta nam črpa hladilno tekočino v vakuumsko komoro, skozi obe hladilni telesi na kateri sta pritrjena peltierjeva člena, ter nazaj v membransko črpalko. Eden nam služi za ohlajanje mizice, drugi pa za ohlajanje konice. Hlajenje mizice in konice reguliramo ločeno z dvema regulatorjema. Najprej je hladilna tekočina speljana skozi hladilno telo konice, ter nato v hladilno telo mizice. Na obeh peltierjih je neposredno pritrjeno temp. tipalo, kot nam prikazuje slika 2.3. S tem neposredno merimo temp. obeh peltierjev, vendar ne stekla na mizici in konice. Ampak lahko sklepamo, da se temp. stekla na mizici in temp. konice ne more veliko razlikovati od temp. peltierjev. Slika 2.2: Dvostopenjski peltier 5

15 Temp. tipali Slika 2.3: Temp. tipali na peltierjema PE motorje PiezoLEGS, ki so uporabljeni v diplomski nalogi proizvaja podjetje PiezoMotor Uppsala AB. Zgradba PE motorja nam prikazuje slika 2.4. V ohišju so vgrajene štiri PE nogice, vsaka nogica je sestavljena iz dveh PE aktuatorjev (levega in desnega). Te potiskajo ročico iz keramike, katera je vodena z vodilom iz kovine. Keramična ročica Vzmet Merilna letev Ohišje PE nogic Vodilo Slika 2.4: Zgradba PE motorja Delovanja ene PE nogice nam prikazuje leva stran slike 2.5., ki je opisana v štirih korakih. V A koraku ni napajan noben ob PE aktuatorjev, zato je nogica v skrajno nizki legi. V B koraku je napajani samo desni PE aktuator, zato se nogica ukrivi v skrajno levo lego. V C koraku sta napajana oba PE aktuatorja, zato je nogica v skrajno visoki legi. V D primeru pa je napajan samo levi PE aktuator, zato se nogica ukrivi v skrajno desno lego. Desna stran slike 2.5. pa nam prikazuje kako poteka delovanje PE motorja v štirih korakih. Razvidno je, da delujeta prva in tretja nogica skupaj ter druga in četrta skupaj. 6

16 Slika 2.5: Delovanje PE nogic Slika 2.6 nam prikazuje zgradbo inkrementalnega dajalnika. Za meritve položaja smo v našem primeru uporabili linearni enkoder, katerega proizvaja NANOS Instruments. Merilna letev in senzorska elektronika sta dva glavna dela, ki sestavljata merilni sistem. Namagnetena merilna letev vsebuje razdelke po 500 µm. S tem smo še zelo oddaljeni od submikrometerske skale. Senzorska elektronika nam reši ta problem, saj nam zagotovi resolucijo 61 nm, ki lahko odstopa 0.15 % na razdelek. Merilni sistem deluje v območju med -25 C in 100 C. Z indeksnim senzorjem je možno pozicijo letve vedno umeriti v isto izhodišče, če pride do izpada delovanja. Inkrementalni dajalnik deluje na TTL napetostnih nivojih. S frekvenco 4 MHz je omejen izhodni signal. To pomeni, da lahko s hitrostjo največ 244 mm/s dajalnik sledi hitrosti letve. Merilna letev Indeksni senzor Senzor položaja Slika 2.6: Zgradba inkrementalnega dajalnika V vakuumski komori, ki je iz nerjavečega jekla, ohranjamo ustrezne delovne pogoje (vakuum) v kateri se nahaja nanorobotska celica. Za ustrezno majhen vakuum poskrbita oljna vakuumska črpalka in turbomolekularna črpalka, ki skozi celotni čas obratovanja črpata zrak iz komore. Za pravilno delovanje se je potrebno držati sledečih pravil, saj lahko v nasprotnem primeru pride do poškodb črpalk ali celotnega sistema, ki 7

17 se nahaja v vakuumski komori. Vedno je najprej potrebno zagnati oljno vakuumsko črpalo, s približno pet sekundnim pritiskom na tipko start. Počakamo, da tlak v komori pade na približno 1.5 mbar, nato vklopimo turbomolekularno črpalko s približno dve sekundnim pritiskom na tipko start. Na plošči krmilnik turbomolekularne črpalke se vklopiti zelena lučka power, ki nam ponazarja, da je črpalka vklopljena. Čez čas se tlak ustali nekje na 25 µbar, takrat lahko začnemo z delom. Merilna skala rotation nam prikazuje obrate turbomolekularne črpalke od najmanjše do največje vrednosti. Kadar prenehamo z delom in želimo ves sistem izklopiti se moramo prav tako držati pravil, ki pa se vrstijo v obratnem vrstnem redu kot vklop črpalk. Najprej izklopimo turbomolekularno črpalko z dve sekundnim pritiskom na stop. Počakamo, da tlak v komori naraste nekje na 1.5 mbar in zelena lučka power na krmilniku turbomolekularne črpalke ugasne. Sedaj izklopimo še oljno vakuumsko črpalko s približno pet sekundnim pritiskom na tipko stop. Slika 2.7 nam ponazarja postopek za zagon črpalk. V opravljeni diplomski nalogi ni bilo potrebno uporabljati turbomolekularne črpalke, saj smo delali v nekoliko drugačnih pogojih, ki jih so bolj podrobno opisal v poglavju 4.4. Gradnja osi in zobnika. Slika 2.7: Postopek zagona črpalk Za dovajanje in proizvajanje vodne pare v vakuumsko komoro skrbi uparjalnik, ki deluje na enak način kot grelec vode s to razliko, da voda zavre in se skozi cevko kontrolirano sprošča v vakuumsko komoro. V diplomski nalogi uparjalnik ni bil uporabljen. Senzor tlaka ali t.i. manometer s termočlenom, ki je bil uporabljen v diplomski nalogi je Varian Povezan je z regulatorjem tlaka Digivac Model 201, ki je ob enem tudi merilnik tlaka. Senzor tlaka deluje tako, da zazna spremembo topotne prevodnosti zraka pri različnih tlakih. Pri višjem tlaku se iz segretega telesa oddaja več toplote. 8

18 2.2. Izdelava konice Konica, ki je bila uporabljena v diplomski nalogi je iz zlate žičke, katere premer je 50 µm. Zlato v primerjavi z nekaterimi ostalimi materiali ne oksidira, ima večjo toplotno prevodnost in je dokaj cenovno ugodno. Konico smo naredili tako, da smo najprej odrezali žičko dolžine nekje 2 cm. Katero smo položili na steklo, ki ga uporabljamo pri mikroskopu, ter prekrili še z enim enakim steklom. Zgornje steklo smo premikali v vse smeri, tako da smo žičko valjali in jo s tem izravnavali. Ko je bila dovolj ravna, smo ji z ostrim rezilom pravokotno na žičko odrezali en konec (približno 2 mm). Pod mikroskopom smo preverili ali je konec žičke lepo odrezan. Slika 2.8 nam prikazuje lepo odrezan konec žičke. Slika 2.8: Odrezan konec žičke Sedaj jo previdno namestimo na peltier, ki je namenjen konici in sicer tako, da je odrezani konec žičke obrnjen navzdol. Še prej pa na peltier nanesemo nekaj termalne paste, da se konica lepo sprime na peltier. Termalna pasta poskrbi za ustrezno toplotno prevodnost med konico in peltierjem. Sledi pritrditev steklene kroglice na konico. Na en kos stekelca, ki ga uporabljamo na mizici nanesemo steklene kroglice in kapljico UV lepila (najlažje v levi ali desno kot zgoraj). Stekelce previdno položimo na mizico (peltier), pri tem pazimo, da se ne dotaknemo že prej nameščene konice na drugem peltierju. Sedaj celotno nanorobotsko celico pomaknemo naprej k oknu in s pokrovom zapremo vakuumsko komoro. Preko grafičnega vmesnika na računalniku pomikamo nanorobota tako, da se s konico počasi dotaknemo lepila. Premikanje robota in opis grafičnega vmesnika je razloženo kasneje v poglavju 2.3. Opis programske opreme. Lepilo samodejno zaobjame konico, kot nam ponazarja leva stran slike 2.9. Potem jo počasi 9

19 izvlečemo iz lepila. Sedaj imamo na spodnji strani konice naneseno lepilo s katero se pomaknemo do kroglice, ki želimo imeti pritrjeno na konici. Počasi se dotaknemo kroglice, ta se takoj sprime s konico in se odmaknemo. Z UV lučko posvetimo sprijeti del konice in kroglice za kakšnih 30 sekund. Sedaj sta med seboj trdno sprijeti, kot nam prikazuje desna stran slike 2.9. Polistirenske kroglice se ne sprimejo s konico, saj ne reagirajo z UV lepilom. Domnevamo, da zaradi tekočine v kateri se kroglice nahajajo, lahko vsebuje kakšno topilo, ki UV lepilo topi ali pa so kroglice tako zalo gladke, da se lepilo ne prime na njih Opis programske opreme Slika 2.9: Izdelava konice Pred začetkom manipulacije z nanorobotsko celico smo morali zagnati ustrezno programsko opremo, ki je bila razvita v samem laboratoriju. Postopek zagona in uporaba programske opreme je opisana v naslednjih korakih. Najprej smo na uporabnikovem računalniku zagnali programsko orodje LabView, ki se nahaja na namizju ali orodni vrstici računalnika. Odprlo se nam je začetno okno LabView, kot ga prikazuje slika Nato smo morali zagnati datoteko pod imenom C:\...olinom_transition\t_polinom.lvproj. 10

20 Slika 2.10: Začetno okno LabView Odprlo se je naslednje okno projekta t_polinom, ki ga prikazuje slika Najprej smo vzpostavili povezavo računalnika s strežnikom. Z desnim klikom miške smo kliknili na zavihek RT-Lab ( ) in izbrali opcijo Connect. Nato smo zagnali datoteko t_polimon.vi, ki se nahaja pod zavihkom RT-lab ( ). Slika 2.11: Projekt t_polinom 11

21 Datoteka t_polimon.vi se nam je zagnala, kot nam prikazuje slika Tukaj smo samo zagnali simulacijo in počakali, da je stekla komunikacija. Potem pa se vrnili nazaj k oknu projekt t_polinom, ki ga prikazuje slika 2.11, kjer smo zagnali datoteko vmesnik1.vi. Ta datoteka se nahaja pod zavihkom My Computer. Slika 2.12: Datoteka t_polinom Odprlo se nam je okno za manipuliranje nanorobotske celice, katerega prikazuje slika Tukaj manipuliramo z nanorobotsko celico, nastavljamo temp. peltierjev in izvršujemo druge ukaze. Zaženemo simulacijo in lahko začnemo z delom. V območju katerega nam predstavlja slika kamere, spremljamo manipuliranje nanorobotske celice. V okvirčku Tip cooling spremljamo trenutno temp. konice in vnašamo želeno. V okvirčku Table cooling pa spremljamo in vnašamo želeno temp. mizice. Okvirček VLC nam prikazuje trenutni tlak, ki se nahaja v vakuumski komori. V Position okvirčku pa 12

22 nastavljamo hitrost pomikanja PE motorjev ter spremljamo pozicijo X, Y in Z osi. S tipko STOP prekinemo izvajanje programa vmesnik1.vi in s tem možnost manipuliranja prijemala nanorobotske celice. S tipkama levo in desno premikamo konico prijemala v levo in desno smer, ki poteka po X osi. S tipkama naprej in nazaj pa premikamo konico naprej in nazaj, ki poteka po Y osi. S tipko Z pomikamo mizico navzgor in s tipko H pomikamo mizico navzdol, ki poteka po Z osi. Slika kamere Slika 2.13: Okno za manipuliranje nanorobotske celice 13

23 3. SANACIJA NANOROBOTSKEGA MEHANIZMA 3.1. Nastale težave in rešitve V času mojega diplomskega dela so se nam začele pojavljati težave pri PE motorjih, črpalkah, hladilnem sistemu in peltierjih. Zato smo sklenili, da saniramo robotski mehanizem ter s tem izboljšamo preciznosti in natančnosti pri gradnji mikrostruktur, ter odpravimo težave. Že v samem uvodu diplomske naloge nam je težave povzročala turbomolekularna črpalka. Ta je spuščala olje v vakuumsko komoro, kar nam je onemogočalo gradnjo mikrostruktur in razna testiranja saj so se na delovnih površinah pojavljali madeži olja. Sprva smo domnevali, da je prišlo do tega zaradi nepravilne uporabe črpalk, vendar smo kasneje ugotovili, da temu ni tako. Črpalko smo odstranili od vakuumske komore in jo očistili. Očistili smo tudi vakuumsko komoro, predvsem prirobnico na kateri je privita turbomolekularna črpala, saj se je tam nabralo največ olja. Črpalko smo privili nazaj na komoro. Ob uporabi samo oljne vakuumske črpalke, se je spet čez čas vedno bolj in bolj nabiralo olje v prirobnici turbomolekularne črpalke. Ponovili smo prej opisani postopek čiščenja ter črpalki zamenjali olje s svežim. Tudi to ni pomagalo, olje se je še kar naprej pojavljalo bodisi ob uporabi turbomolekularne črpalke ali samo oljne vakuumske črpalke. Kasneje smo ugotovili, da je do tega prihajalo zaradi prehitre spremembe tlaka v komori ob izklopu oljne vakuumske črpalke. Saj je tlak v pičlih nekaj sekundah narastel iz nekaj 100 µbar do 1 bara. Zaradi prevelikega šoka je tlak potegnil nekaj olja iz turbomolekularne črpalke, ki se je nabiral v prirobnici. Težavo smo rešili s preprostima dvema ventiloma. Enega smo namestili na oljno vakuumsko črpalko. S tem smo zagotovili kontrolirano spuščanje zraka v vakuumsko komoro ali kontrolirano naraščanje tlaka v komori. Drugi ventil smo namestili na sam vrh komore ali bolj natančno med vrhom komore in senzorjem tlaka. Tako smo preostali vakuum, ki ga oljna vakuumska črpalka ni zapolnila (nekje 150 mbar), ročno spustili v komoro in s tem preprečili morebitni šok, ki bi iz turbomolekularne črpalke potegnil olje. Pri gradnji mikrostruktur in drugih eksperimentih smo naleteli na težavo pri konici. Kroglica, ki je bila pritrjena na konico z UV lepilom je čez čas popustila in se odlomila. Tudi pri PE motorjih je na spoju keramične ročice, namagnetene merilne letve in držala, 14

24 začelo dvokomponentno lepilo popuščati. To smo nekajkrat na novo zalepili, vendar težave s tem nismo odpravili. Ugotovili smo, da nam težavo povzroča hladilna tekočina in sicer antifriz, ki nam uhaja v vakuumsko komoro skozi drobne razpoke morebiti na cevkah ali na samem hladilnem telesu na katerega je pritrjen peltier. Hladilno tekočino antifriz smo preprosto odstranili in jo nadomestili z navadno vodo iz pipe. To smo si lahko privoščili, saj delamo v pogojih, ki so bolj podrobno opisani v poglavju 4.4. Gradnja osi in zobnika. S tem smo tovrstno težavo odpravili. Začele pa so se pojavljati tudi težave pri PE motorjih, najbolj pri tistem, ki je odgovoren za premikanje Z osi ali mizice. Pri gradnji mikrostruktur, se je mizica začela nekontrolirano nihati. Pri dviganju ali spuščanju mizice do želene višine, je ta vedno zanihala za približno 10 do 20 µm. Kar je pomenilo tudi do 2/3 višine kroglice. S tem je bila gradnja mikrostruktur zelo otežena ali skoraj nemogoča, saj so nam ti nihaji podirali samo mikrostrukturo. Kroglico pa je bilo skoraj nemogoče odložiti na želeno mesto. Do tega pojava je prišlo zaradi neenakomernih porazdeljenih sil na PE keramične nogice. Saj je bila glava, v kateri je nameščen peltier (mizica), nameščena direktno na spoj namagnetene merilne letve in keramične ročice. Zaradi večletnega delovanja mizice pod takšnimi pogoji in včasih kančku neprevidnosti pri nameščanju delovne površine na mizico, so se začele neenakomerno obrabljati PE keramične nogice, ki poskrbijo za premikanje keramične ročice in s tem posledično celotne glave. Čez čas nam je še odpovedal en peltier in PE motorček, ki poganja Z os. Slednja smo zamenjali, saj smo na srečo imeli na rezervi oba dela, tako PE motorček kot peltier. Na novo pa smo tudi naredili obe glavi s pomočjo 3D tiskalnika, ki sta bolj ergonomsko oblikovani in dosti lažji, saj sta narejeni iz plastike, predhodno pa sta bili iz aluminija. Na novo smo naredili tudi stojalo za mikroskop s kamero, kot prikazuje slika 3.1. Mikroskop s kamero smo fiksirali na aluminijasto prečko. Sedaj je z mikroskopom dosti lažje operirati, saj je vse skupaj stabilno in nepremično za razliko od prej. 15

25 Slika 3.1: Stojalo za mikroskop s kamero 3.2. Potek sanacije nanoprecizne robotske celice Za sanacijo smo se odločili zaradi že prej omenjenih težav, ki so se nam pojavljale na PE motorjih. Slika 3.2 nam ponazarja nepravilno delovanje sile, ki se nam je v večji meri pojavljala predvsem na Z osi. Sanacijo smo se lotili načrtno, previdno in premišljeno. Slika 3.2: Nepravilno delovanje sile 16

26 Na začetku smo se lotili sanacije zgornjega predela oz. predela ki je odgovoren za premikanje X in Y osi. Najprej smo se lotili X osi, katera je odgovorna za premikanje v smeri levo in desno. Pri tem nismo imeli veliko dela, saj PE motorja ni bilo potrebno zamenjati ker je ostal nepoškodovan. To pa zaradi tega ker je že predhodno ob PE motorju bilo nameščeno vodilo z vozičkom, katero je poskrbelo za pravilno prenašanje sil med PE motorjem in glavo. Tudi vodilo in voziček sta ostala v dobrem stanju in ju ni bilo potrebno zamenjati. Slika 3.3 nam prikazuje ogrodje nanorobotske celice. Na zgornjem delu je nameščeno vodilo z vozičkom, ki nam predstavlja X os. Na ta voziček pride kasneje nameščena Y os. Z os pa pride kasneje nameščena na sprednji del ogrodja. Slika 3.3: Ogrodje nanorobotske celice Sledila je sanacija Y osi, katera je odgovorna za premikanje v smeri naprej in nazaj. Na vozičku za premikanje X osi je bil že predhodno pritrjen ene vrste stol iz aluminija na katerem je bil predhodno nameščen motor za premik Y osi. Mi smo ta motor odstranili in pritrdili podlogo, ki smo jo naredili iz aluminija. Na to podlogo smo pritrdili čisto novi PE motor in vodilo z vozičkom. Ta nam ob delovanju PE motorja posredno preko prečke in preko ročice narejene iz aluminija premika zgornjo glavo v smeri naprej in nazaj. Zato sile več ne delujejo neposredno iz PE motorja na glavo, kot je bilo to predhodno ampak delujejo posredno preko vozička in ročic. S tem smo odpravili nepravilno obremenitev na PE motor zaradi morebitnega naklona keramične letvice. Ob enem pa smo se hkrati znebili bremena, ki ga je dodatno povzročala teža celotne glave. Na konec ročice smo kasneje pritrdili glavo. Slika 3.4 nam prikazuje sestavne dele Y osi. 17

27 Slika 3.4: Sestavni deli Y osi Na koncu smo sanirali še Z os, katera je odgovorna za premikanje v smeri gor in dol. Na podlogo, ki smo jo naredili iz aluminija smo namestili čisto novi PE motor. Podlogo z nameščenim PE motorjem smo nato pritrdili na aluminijasti kvader, ki pride pritrjen na ogrodje celotne nanorobotske celice. Ob motorju pa še pritrdili vodilo z vozičkom. Ta nam ob delovanju PE motorja posredno preko prečke in preko ročic narejenih iz aluminija premika spodnjo glavo v smeri gor in dol. S tem smo dosegli pravilno prenašanje sil med PE motorjem in glavo kot pri sanaciji Y osi. Na vrh ročice, ki je v oliki črke L smo kasneje pritrdili glavo. Slika 3.5 nam prikazuje sestavne dele Z osi. Slika 3.5: Sestavni deli Z osi 18

28 Slika 3.6 nam prikazuje končno verzijo sanirane nanorobotske celice, na katero še prideta kasneje pritrjeni glavi. Na ogrodje nanorobotske celice smo še dodatno namestili ročaj, za lažje vstavljanje nanorobotske celice v vakuumsko komoro in jemanje iz nje. Ročaj Y os X os Z os Ogrodje nanorobotske celice Slika 3.6: Sanirana nanorobotska celica 19

29 4. IZGRADNJA MIKROSTRUKTUR 4.1. Predstavitev problema V preteklosti so se v laboratoriju razvijale in gradile mikrostrukture večinoma iz steklenih kroglic, katerih premer je bil med 2 in 100 µm. Sama gradnja mikrostruktur je potekala z enoprstnim lednim prijemalom v dokaj ekstremnem okolju. In sicer v vakuumski komori kjer je bil potreben tlak tudi manjši od 100 µbar, temp. mizice in prijemala pa tudi do -50 C. Tlak v vakuumski komori so med gradnjo mikrostruktur kontrolirali s pomočjo uparjalnika vodne pare. S tem so se izognili tekočemu agregatnemu stanju vode na konici enoprstnega lednega prijemala, saj je prehod potekal iz trdega v plinasto agregatno stanje (sublimacija) in obratno (depozicija). Tekoče stanje vode bi namreč neugodno vplivalo na premike kroglic in gradnjo mikrostruktur. Uporaba in izdelava enoprstnega lednega prijemala je bolj podrobno opisana v [1]. Glavna slabost takšnega načina gradnje mikrostruktur je to, da so steklene kroglice iz katerih je zgrajena mikrostruktura, sprijete samo s pomočjo Van der Waals-ove sile. Zato so se ob kakšnih padcih, premikih ali vibracijah lahko razdrle. Primer zgrajene mikrostrukture iz steklenih kroglic je prikazan in bolj podrobno opisan v [2]. Bili so narejeni tudi poskusi natikanja zobnika na zgrajeno os, s to razliko, da je zobnik bil že predhodno tovarniško narejen. Vendar se je izkazalo, da zobnik ne gre nataknit na os, saj je imel premajhni premer luknje v primerjavi s premerom zgrajene osi. Zaradi tega so se odločili narediti os iz polistirenskih kroglic, saj se ta začne topiti pri temp. 95 C, s tem bi se kroglice začele med seboj sprijemati, os pa bi postala trdno zgrajena in posledično bi se jo lažje namestilo na zobnik. Zgrajeno os so segrevali s pomočjo, spajkalnika in mikrovalovne pečice, kar pa se je izkazalo za nezanesljivi metodi. Podrobnejši eksperimenti so predstavljeni v [2] Postopek sintranja polistirenskih kroglic Za sintranje polistirenskih kroglic smo uporabljali indukcijsko kuhalno ploščo. Ta deluje po principu magnetnega polja, katerega ustvari električni tok. Zato smo na kuhalni plošči morali imeli feromagnetni material, skozi katerega lahko steče indukcija. Posledica tega je segrevanje materiala. Uporabili smo jekleno ploščico katere premer je 12 cm in debeline 6 mm. S kuhalno ploščo smo najprej segreli jekleni material na največjo možno temp., ki jo kuhalna plošča dopušča (dokler se samodejno ne izklopi). Greli smo jo s 20

30 funkcijo power na peti stopnji in pri tem dosegli najvišjo možno temp. nekje okrog 210 C, katero smo spremljali z digitalnim termometrom UNI-T UT 320 Series, kot nam prikazuje slika 4.1. Slika 4.1: Gretje jeklene plošče Počakali smo, da temp. pade in se skoraj ustali pri 170 C (lahko raje kakšno stopinjo ali dve manj). S pinceto smo previdno položili stekelce na katerem je zgrajena mikrostruktura na rob jeklene plošče in ga greli 20 s, kot nam prikazuje slika 4.2. Slika 4.2: Gretje mikrostrukture Stekelce na katerem se nahaja zgrajeni objekt mora biti obvezno takšno, kot je opisano v poglavju 4.3. Priprava na gradnjo zobnika. Pod mikroskopom smo nato preverili stanje objekta. V primeru preslabega sprijetja kroglic, smo stekelce položili nazaj na jekleno ploščo, ki je še ostala dokaj topla za približno 5 s. To dodatno potrebno gretje smo delali po občutku. Slika 4.3 nam prikazuje primer uspešnega sintranja (leva stran) in neuspešnega sintranja (desna stran), ki je posledica predolgega gretja. 21

31 Slika 4.3: Uspešno in neuspešno sintranje 4.3. Priprava na gradnjo zobnika Gradnja zobnika je potekala iz polistirenskih kroglic, katerih premer je 30 µm. Na začetku smo si pripravili delovno površino na kateri smo gradili zobnik. Za to smo uporabili čisto tanko stekelce, ki se uporablja pri operiranju z mikroskopom (običajno je veliko nekje 1 cm 1 cm), katerega smo previdno nalomili na manjše koščke, saj je bilo drugače preveliko. Sledila je priprava v vakuumski komori bolj natančno na mizici, kjer je potekala gradnja zobnika. Na mizico (peltier) smo nanesli nekaj termalne paste. Ta nam je služila za večjo prevodnost toplote med peltierjem in stekelcem. Na termalno pasto smo namestili malo večje stekelce, ki nam je služilo kot podloga za namestitev našega stekelca na katerem smo gradili zobnik. To stekelce, smo morali namestiti pod kotom nekje 30 pravokotno na mizico, kot nam prikazuje slika 4.4. To pa zaradi boljše preglednosti med samo gradnjo zobnika, saj bi v nasprotnem primeru videli le dve dimenziji, s tem pa smo dosegli pogled na vse tri dimenzije. Prostor med stekelcem in peltierjem je moral biti čim bolj zapolnjen s termalno pasto, zaradi toplotne prevodnosti. S tem smo imeli mizico pripravljeno za delo. Slika 4.4: Namestitev stekelca 22

32 Sledila je priprava polistirenskih kroglic. Najprej smo si kapljico vsebine s polistirenskimi kroglicami, ki so zmešane s tekočino kanili v zamašek. Dodali smo nekje tri kapljice destilirane vode, da smo vsebino razredčili. Tanko plast razredčene vsebine smo kanili na že prej pripravljeno (tisto, ki smo ga nalomili na manjše koščke) stekelce. To smo najlažje storili z zobotrebcem. Preden smo stekelce namestili na mizico v vakuumski komori smo počakali, da je voda izhlapela, kar je trajalo kakšno minuto ali dve. S tem so na stekelcu ostale samo polistirenske kroglice, saj bi bila gradnja zobnika v nasprotnem primeru, zaradi prisotnosti tekočine onemogočena. Pred začetkom gradnje zobnika, smo še pod mikroskopom preverili koliko kroglic sploh imamo na stekelcu. Če smo jih imeli premalo smo jih preprosto dodali. Sedaj smo stekelce namestili na mizico v vakuumski komori, ki smo si jo že prej pripravili. Še prej pa smo na večje stekelce, ki nam je služilo kot podloga, kanili kapljico destilirane vode in potem previdno namestili stekelce s polistirenskimi kroglicami. Nanorobotsko celico smo pomaknili naprej k oknu kjer z mikroskopom preko računalnika opazujemo gradnjo zobnika ter zaprli pokrov vakuumske komore. Slika 4.5 nam prikazuje pravilno končno pripravo za začetek gradnje zobnika. 23

33 Slika 4.5: Priprava na gradnjo Sedaj smo odprli ventil za dovajanje zraka, ventil za vodo in vklopili napajanje kontrolnega predela sistema, ki služi vklopu črpalk in drugih delov robotskega sistema. Nato zagnali programsko opremo, kot je opisano v poglavju 2.3. Opis programske opreme. Sledil je zagon oljne vakuumske črpalke, vklop nanorobotske celice, hlajenja in tlaka. Slika 4.6 nam prikazuje kontrolni predel sistema. Pri tlaku smo morali na prikazovalniku nastaviti enoto na mbar, saj je predhodno nastavljen na torr. Temp. mizice in konice smo nastavili na 10 C, saj v nasprotnem primeru temp. začne samodejno padati proti -20 C. Konico pa smo si naredili že predhodno, katere postopek izdelave je opisan v poglavju 2.2. Izdelava konice. 24

34 4.4. Gradnja osi in zobnika Slika 4.6: Kontrolni predel sistema Na začetku smo s kamero poiskali spodnji del konice, kjer imamo nalepljeno kroglico in jo izostrili. Potem previdno dvigovali mizico in pomikali konico po potrebi naprej in nazaj, dokler nismo dobili izostrenih kroglic na mizici in same konice. Sprva smo se lotili gradnje osi iz štirih polistirenskih kroglic. Poiskali smo prvo kroglico, ki smo jo želeli dvigniti in se ji s konico približali. Če smo bili zelo oddaljeni od želene kroglice smo konico premikali s korakom 100. Ko smo se skoraj približali do kroglice, smo korak nastavili na 30 ali 20 za lažje in bolj natančno premikanje. Za uspešen dvig kroglice smo temp. konice nastavili na -20 C (včasih na -25 C), mizico pa na 10 C (včasih na 20 C). Počakali nekaj sekund, da se je temp. obeh ustalila potem pa se s konico dotaknili kroglice. Najlažje je bilo, če je bila kroglica sama in ni bila sprijeta še s kakšno drugo kroglico. V primeru, da sta bili dve ali več kroglic v stiku, smo nehote dvignili obe ali več saj med njimi deluje Van der Waalsova sila, ki pa je večja od sile med konico in kroglico, ki jo želimo dvigniti. Hkrati pa je manjša od sile, ki deluje med kroglicami in mizico, saj jih v nasprotnem primeru ne bi mogli dvigniti. Zaradi delovanje kapilarne sile med konico in kroglico, ki je večja od sile med kroglico in mizico je kroglica ostala sprijeta na konici, ko 25

35 smo jo dvignili. Sedaj smo jo lahko premaknili na želeno odložišče, kjer smo gradili os. Pri tem smo morali spremeniti temp. konice na 20 C (včasih na 10 C), temp. mizice pa na -25 C (včasih na -30 C). Počakali nekaj sekund, da se je temp. ustalila potem pa se s kroglico, ki je sprijeta na konici dotaknili mizice. Sedaj se je zaradi temp. sprememb konice in mizice pojavil obratni efekt kapilarne sile kot pri dviganju kroglice. Namreč kapilarna sila, ki je nastala ob dotiku kroglice z mizico je večja od sile, ki je med kroglico in konico. Zato je kroglica ostala sprijeta na mizici, ko smo se s konico odmaknili. S tem postopkom dviganja in spuščanja kroglic smo premikali vse nadaljnje kroglice v nadaljevanju gradnje osi in zobnika. Nato smo zraven te kroglice še premaknili tri kroglice in jih razvrstili v ravno vrsto. S tem smo dobili želeno obliko osi. Os pa smo še poskusili zgraditi na drugi način in sicer v vertikalni smeri. Tako smo štiri kroglice položili eno na drugo. Vendar smo tukaj naleteli na težave pri gradnji. Namreč ko smo želeli položiti tretjo kroglico gor na drugo se je le ta s težavo sprijela. To pa zato ker je bila temp. mizice v višini tretje kroglice večja kot na dnu mizice. Pa tudi sami stiki med kroglicami so zelo majhni. Posledično je bila kapilarna sila med kroglico sprijeto na konici in kroglico na mizici manjša od sile med konico in kroglico sprijeto na konici. Tako smo morali temp. mizice ustrezno zmanjšati, temp. konice pa povečati. Vendar pri polaganju četrte kroglice na tretjo tudi to ni več zadostovalo saj je bila temp. na tej višini enostavno prevelika. Toda z malo sreče in vztrajnosti nam je le uspelo. To nam je dalo vedeti, da pod takšnimi pogoji v bodoče ne moremo graditi mikrostruktur v vertikalo. Slika 4.7 nam prikazuje oba načina zgradbe osi. Nato smo obe osi dali sintrat, kateri postopek je opisan v poglavju 4.2 Postopek sintranja polistirenskih kroglic. Slika 4.7: Zgrajeni osi 26

36 V času mojega diplomskega dela smo naštudirali štiri možne principe gradnje zobnika, kateri so opisani v nadaljevanju. Celotni zobnik je sestavljen iz dvanajstih polistirenskih kroglic. Prvo smo zgradili obroč iz šestih kroglic. Premikanje kroglic je potekalo po enakem postopku, kot pri gradnji osi. Pri gradnji smo imeli nekaj težav z ustreznim razvrščanjem kroglic v obroč. Namreč gradili smo položno na mizico, pri tem pa nismo imeli omogočenega pogleda s tlorisa. Naš pogled na gradnjo je bil omogočen le s sprednje strani, zato se ni popolnoma videlo ali se kroglice zadaj ustrezno dotikajo ali ne. Ko smo smatrali, da je obroč pravilno zgrajen smo ga vzeli iz vakuumske komore in pogledali pod mikroskopom. Preverili smo ali se kroglice dotikajo ena druge tako kot se morajo ter, če ima obroč pravilno obliko. Na mikroskopu smo si poslikali zgrajen obroč in ga vrnili nazaj v vakuumsko komoro ter odpravili deformacije, ki prej niso bile vidne. To smo ponavljali dokler obroč ni bil pravilno zgrajen, ki je prikazan z leve strani na sliki 4.8. Sedaj smo samemu obroču še dodali šest kroglic, ki smo je namestili med zunanje utore obroča. Pri tem so se nam pojavile težave ker obroč ni bil fiksiran na tla in trdno sprijet. Posledično se je vedno rahlo deformiral ob dodajanju kroglice v utor. Zaradi tega smo morali velikokrat zobnik vzeti iz komore, preveriti pod mikroskopom, ga dati nazaj v komoro in odpraviti deformacijo. Kar je posledica slabšega pregleda na gradnjo. Zaradi tega je bil ta postopek gradnje precej otežen, dolgotrajen in s praktičnega vidika bolj neuporaben. Ko nam ga je uspelo vsaj približno zgraditi, smo ga dali sintrat. Na sliki 4.8 je z desne strani prikazan zobnik kjer so lepo vidne deformacije. Slika 4.8: Zgrajeni obroč in zobnik na prvi princip Ker smo ugotovili, da s tem postopkom ne bomo obrodili sadov smo se lotili drugega principa. In sicer smo najprej spet zgradili obroč kot v prejšnjem primeru s to razliko, da smo ga dali sintrat takoj, ko smo ga uspešno zgradili. S tem so kroglice, ki tvorijo obroč postale med seboj trdno sprijete. Zraven tega pa je še obroč ostal sprijet s stekelcem. Tako smo lahko brez večjih težav še dodali preostalih šest kroglic v zunanje 27

37 utore obroča. Z nekaj popravki smo dobili lepo zgrajeni zobnik, ki smo ga dali sintrat. Zgodilo se je nekaj kar nismo pričakovali. Namreč zobnik ali bolj natančno obroč zobnika se nam je preveč razlil, zunanji del (zobje zobnika) pa je ostal lep. S tem se nam je notranja luknja v katero bi mogla priti kasneje nameščena os, skoraj zalila. To se nam je zgodilo zaradi tega ker smo obroč zobnika že predhodno enkrat sintrali. Dvakratno sintranje pa je bilo očitno preveč. Da bi se res prepričali smo zgradili še en zobnik na enak način, vendar je bil končni rezultat popolnoma enak. Slika 4.9 nam prikazuje na levi strani zgrajeni zobnik po prvem sintranju obroča, na desni strani pa končno verzijo po drugem sintranju celotnega zobnika. Zaradi tega tudi ta princip gradnje ni bil primeren. Slika 4.9: Zgrajeni zobnik na drugi princip Tako smo se lotili tretjega principa gradnje. Namreč, če zelo dobro pogledamo samo obroč ali pa celotni zobnik nam ta predstavljata heksagonsko obliko. Zaradi te oblike smo si zelo poenostavili gradnjo zobnika saj smo se dosti lažje orientirali pri sami gradnji. Potek gradnje nam prikazuje leva stran slike Začeli smo pri številki 1 in končali pri številki 12. Vendar ta postopek gradnje ni bil tako enostaven kot smo sprva sklepali. Do številke 7 še ni bilo težavno zgraditi, od 8 naprej pa so se začele pojavljati težave zaradi slabšega pregleda na potek gradnje. Začelo se nam je dogajati enako kot pri prvem principu. Oblika se nam je med gradnjo prevečkrat deformirala. Zaradi tega smo morali prevečkrat popravljati, kar nam je spet vzelo preveč časa. Sklenili smo, da bomo zapolnili sredinsko luknjo. To smo so lahko dovolili ker smo imeli namen zgraditi reduktor, katerega postopek gradnje je kasneje podrobneje opisan v poglavju 4.6 Poskusi gradnje reduktorja. Tako smo se lotili nove gradnje zobnika, katerega potek nam prikazuje desna stran slike Začeli smo pri številki 1 in končali pri številki 13. S tem drugim načinom smo zgradili zobnik dokaj hitro, katerega smo dali sintrat. Slika 4.11 nam prikazuje na levi strani rahlo deformiran zgrajeni zobnik, ki je zgrajen z luknjo na sredini. Na desni strani pa je predstavljeni zobnik, ki je zgrajen z drugim načinom z zapolnjeno sredinsko luknjo. 28

38 Slika 4.10: Potek gradnje zobnika Slika 4.11: Zgrajena zobnika na tretji princip Ker pa smo vseeno želeli zgraditi zobnik, ki bi imel v sredini luknjo namenjeno vstavitvi osi smo poskusili še četrti princip gradnje, ki je v bistvu čisto enak kot je že prej opisan drugi princip z eno razliko. Ko smo zgradili obroč smo ga dali sintrat samo za pet sekund in ne dvajset kot je to zahtevano. S tem so kroglice, ki tvorijo obroč postale med seboj rahlo sprijete a dovolj močno, da se nam obroč med nadaljnjo gradnjo ni deformiral. Ko smo dobili lepo zgrajeni zobnik smo ga dali sintrat. V tem primeru nam obroč zobnika ni stekel in zalil notranjo luknjo, ker smo ga prej sintrali samo pet sekund. Slika 4.12 nam na levi prikazuje najprej zgrajeni obroč, na desni pa zobnik po končanem sintranju. 29

39 Slika 4.12: Zgrajeni obroč in zobnik na četrti princip Na koncu pa še omenimo težavo, ki nam je povzročala preglavice med samo gradnjo. Namreč včasih so se nam kroglice same od sebe tako trdno sprijele na mizico, da jih s konico nismo mogli premaknit kaj šele, da bi jih dvignili. Sklepali smo, da bi za ta pojav lahko bila kriva elektrostatika saj so kroglice v končni fazi iz polistirena zato se lahko električno nabijejo. To težavo smo odpravili tako, da smo mizico najprej zelo ohladili (okrog -35 C) potem pa segreli na nekje 20 C. To smo ponovili nekje tri krat, potem pa so kroglice začele počasi popuščati in lahko smo nadaljevali z gradnjo. Premikanje kroglic pa je bilo oteženo tudi, če se nam je kdaj umazala konica. Zato smo morali biti pozorni, da res delamo s čisto konico Eksperimenti natikanja zobnika na os Najprej smo se lotili ''trganja'' osi (položno zgrajene) iz stekelca, ker se je zaradi posledice sintranja trdno sprijela s stekelcem. Trganja smo se lotili s pomočjo pincete in mikroskopa, ki nam je omogočal pogled s tlorisa. Stekelce na katerem je zgrajena os smo dali pod mikroskop in s prstom pritisnili ob robu kjer zagotovo ni osi. S tem smo si sami fiksirali celotno stekelce. V drugo roko smo vzeli pinceto in se previdno s konico približali naši zgrajeni osi. Seveda smo vse skupaj opazovali na zaslonu mikroskopa, kot prikazuje slika Potem smo s konico pincete previdno in počasi drezali v os tako dolgo, da se je odlepila od stekelca. Pri samem drezanju se nam je včasih mikrostruktura sprijela na pinceto. Če je nismo mogli sneti smo kanili kapljico destilirane vode na stekelce in konico pincete potopili vanjo. Voda nam je odlepila os iz konice pincete. Dobili smo zgrajeno robustno os, ki jo je bilo možno premikati in odlagati na želeno mesto s pomočjo nanorobotske celice. Vendar si s to osjo iz praktičnega vidika nismo mogli kaj dosti začeti. Namreč os mora biti postavljena v vertikalni smeri in obvezno sprijeta s stekelcem. To pa zaradi tega ker mora priti na os nataknjen zobnik in ko je enkrat nataknjen se mora 30

40 zavrtet, os pa mora biti pri tem fiksirana na tla, da je omogočeno normalno vrtenje zobnika. V našem primeru smo os sicer lahko dvignili in postavili v vertikalni položaj, nismo je pa mogli fiksirati. Zato smo hoteli uporabiti drugo os, ki smo jo zgradili v vertikalnem položaju. Ampak smo naleteli na težavo, saj se nam je os po končanem sintranju upognila v eno stran. Namreč prvi dve kroglici sta se bolj stopili kot drugi dve, kar je posledica toplotne razlike v višinah kroglic. Slika 4.13: Trganje osi Prišli smo na idejo, da bi zobnik nataknili na kroglico, ki bi si jo že predhodno prilepili na stekelce. Ta prilepljena kroglica, bi nam predstavljala os zobnika. Ker bi bila prilepljena na tla, bi s tem bila fiksirana in zobnik bi lahko zavrteli. Lotili smo se ''trganja'' zobnika iz stekelca iz enakega razloga in na čisto enaki način kot pri osi. Ko smo imeli zobnik odtrgan smo ga s pomočjo nanorobotske celice poskušali dvigniti na kroglico, ki smo si jo že predhodno prilepili. Pripeli smo si dodatno konico na kateri nismo imeli prilepljene kroglice, ki bi služila za premikanje krogli. S to konico smo se potopili v lepilo in ga prenesli na stekelce. Z drugo konico smo potem prijeli eno kroglico in jo namestili na to kapljico lepila, ki smo jo nanesli s prejšnjo konico. Pri tem smo uporabili dvokomponentno lepilo, saj se UV lepilo ne sprime s polistirenskimi kroglicami. Sledil je dvig zobnika, ki pa ni bil tako enostaven kot dvig osi saj je pri zobniku skupna površina kroglic, ki se dotikajo s stekelcem trikrat večja kot pri osi. Zato je za razliko dviga osi pri dvigu zobnika potrebna precej večja kapilarna sila med konico in zobnikom. Zobnik smo dvigovali pri normalnem zračnem tlaku, se pravi brez delovanja oljne vakuumske črpalke. S tem smo imeli omogočen prehod agregatnih stanj iz trdnega v tekoče in potem v plinasto ter obratno. Za dvig zobnika smo si morali najprej nabrati na konici nekaj suhega ledu. To smo storili tako, da smo konici znižali temp. nekje na -15 C in počakali nekaj časa, de se nam je nabral led. Istočasno smo tudi na mizici znižati temp. 31

41 nekje na -20 C, da se nam je tudi na zobniku začel počasi nabirati led. Nato smo se s konico približali sredini zobnika in mizici dvignili temp. na nekje -10 C, s tem se nam je led na zobniku rahlo odtalil. Počakali smo, da je led zaobjel celotni zobnik in ga potem s konico počasi dvignili. Sedaj smo lahko zobnik odložili na želeno mesto. Pri tem pa smo morali zelo previdno odtajati led, ki smo ga imeli prekritega čez celotni zobnik. Mizici smo počasi dvigovali temp. do 20 C, na konici pa hkrati zelo počasi, najprej smo jo dvignili na -10 C, potem na -8 C, na -5 C in naprej počasi dvigovali samo za 1 C do temp. -1 C. Odtajanje smo si olajšali tako, da smo se s konico po občutku približevali in oddaljevali od mizice. Ko nam je na konici ostala še samo kapljica v kateri je bil ujet naš zobnik, smo morali to kapljico zelo počasi posušit. Tako smo temp. konice z opazovanjem kako se kapljica suši, dvigovali za nekje 2 C. Hkrati smo tudi mizici dvigovali temp. in s tem pospešili sušenje. Vendar nam je na koncu kljub previdnosti in počasnemu odtajanju zobnik vseeno potegnilo gor na konico, kot nam prikazuje slika Zato ga nismo mogli odložiti na želeno kroglico. Ker smo imeli na voljo še en zobnik, smo dvig še enkrat poskusili na čisto enak način. Vendar žal tudi drugič neuspešno. Poskusili smo še premakniti kroglico, da smo se prepričali ali je ostala sprijeta na stekelcu. Ugotovili smo, da ni ostala sprijeta saj smo jo lahko premaknili. Do tega je prišlo zaradi premalo lepila, ki smo ga nanesli na stekelce. Za večjo količino lepila, bi rabili debelejšo konico Poskus gradnje reduktorja Slika 4.14: Zobnik na konici Kljub neuspešni nataknitvi zobnika na os, smo se vseeno odločili za poskus gradnje reduktorja. Namreč prišli smo na idejo, da bi os in zobnik bila zgrajena iz enega kosa, katerega bi potem namestili v ležaj. Zato smo zgradili najprej dva zobnika z zapolnjeno luknjo v sredini kot je to opisano v tretjem principu gradnje zobnika v poglavju 4.4. Gradnja osi in zobnika. Sledila je izdelava dveh ležajev (obroča), ki sta bila med seboj 32

42 povezana. To nam je predstavljalo podnožje v katerega prideta nameščena zobnika. S povezavo ležajev smo omogočili večjo stabilnost in kasneje enakomerno vrtenje zobnikov. Slika nam prikazuje zgrajeno podnožje. Slika 4.15: Podnožje Nato smo na oba že zgrajena zobnika z dvokomponentnim lepilom prilepili stekleno kroglico malo manjšega premera (okrog 20 µm), da smo za kasneje omogočili lažje vstavljanje zobnika v podnožje. Kroglico smo seveda zalepili na sredino zobnika kot nam prikazuje slika Pri lepljenju kroglice smo imeli kar nekaj težav. Najprej smo si morali vpeti dodatno konico, ki nam je služila za nanos lepila. Pri samem lepljenju smo morali biti dokaj hitri, saj bi se nam lepilo lahko prehitro posušilo. Ko smo uspešno nanesli lepilo na sredino zobnika smo morali pristaviti še stekleno kroglico, ki smo jo že imeli sprijeto na drugi konici. S tem smo dosegli hitrejšo namestitev kroglice, da se nam lepilo nebi prej posušilo. Pri nameščanju kroglice smo zelo težko zadeli točno v sredino zobnika. Zato smo zobnik morali večkrat vzeti iz komore in preveriti pod mikroskop ali je kroglica res nameščena točno v sredini zobnika. Na srečo se nam lepilo ni prehitro posušilo in smo to uspešno speljali. Ko se je lepilo posušilo smo se lotili trganja zobnika s stekelca. V primeru, če bi ga odtrgali preden smo namestili v sredino stekleno kroglico, bi se nam zobnik ob dotiku konice z lepilom sprijel na konico in s tem zobnika ne bi mogli več odložiti na tla. Zobnika smo mogli le še dvigniti in obrnjena vstaviti v podnožje. Dviganje obeh zobnikov smo se lotili na enak način kot je opisano v zadnjem odseku poglavja 4.5. Testiranje osi in zobnika. Ko smo prvi zobnik dvignili nam je ta zlezel na konico. S težavo ga nam je le uspelo spraviti na spodnji del konice in hkrati rahlo obrniti, kar smo dosegli ob robu stekelca, kot je prikazano na sliki Zobnik je bilo potrebno le še vstaviti v podnožje in potem še drugega dvigniti in prav tako vstaviti. Ko smo hoteli vstaviti zobnik v 33

43 podnožje nam je celotno podnožje razpadlo. Domnevamo, da zaradi tega ker smo morali dosti krat spreminjati agregatna stanja vode. Znano pa je, da se voda pri spremembi iz tekočega v trdno agregatno stanje razširi. Zato je možno, da nam je to razširjane razdrlo podnožje, kar pa nam je na žalost onemogočilo izpeljavo gradnje reduktorja do konca. Slika 4.16: Prilepljena kroglica na sredini zobnika Slika 4.17: Zobnik na spodnjem delu konice 34