Бесконтактный станок с ЧПУ

Группа физиков из Бразилии и США под руководством Асьера Марсо построила бесконтактный станок с ЧПУ для перемещения миллиметровых деталей.

Бесконтактный станок работает на основе эффекта притягивающей ультразвуковой акустической левитации. Этот метод, в отличие от магнитных, оптических и аэродинамических способов бесконтактного контроля, позволяет манипулировать широким спектром материалов, включая твердые тела, жидкости и даже живые существа.

Контролируемое перемещение объектов малого размера имеет решающее значение в микроэлектронике, физике и биологии.
В то время как в контроле больших объектов главную роль играет гравитация, манипулирование маленькими компонентами зачастую происходит поверхностными силами — например, электростатическими или ван-дер-ваальсовыми. Однако, поверхностные силы вызывают нежелательное сцепление контролируемых объектов с манипулятором, что может привести к загрязнению или повреждению хрупких деталей.

Ученые построили компьютерную модель, которая помогла определить необходимые параметры генератора ультразвука для создания манипулятора. Для этого физики рассчитали давление акустического излучения, а из него силу, которая действует на контролируемый объект.
Физики выяснили, что при разном отношении размера генератора R к длине звуковой волны λ, возникающая сила может как отталкивать объект, так и притягивать.
Притягивающая сила возникает из-за того, что давление излучения положительно в центральной области объекта и отрицательно на краях, а отталкивающая — наоборот.
Выбрав R/λ=0,3, исследователям удалось достичь максимального эффекта притяжения.

Устройство, разработанное физиками, генерирует волны на частоте 21 килогерц для создания удерживающей силы в 0,15 миллиньютон — в результате объект постоянно находится на расстоянии в несколько микрон от генератора. Впервые ученым удалось экспериментально продемонстрировать достаточно сильный эффект притяжения при создании притягивающей акустической левитации.

На основе этих достижений, построенный станок с ЧПУ может захватывать и перемещать очень хрупкие объекты размером от нескольких микрон до нескольких сантиметров — электромеханические устройства, кремниевые матрицы, микрооптические устройства и так далее.

Так как уже существует бесконтактный паяльный аппарат на основе ультразвуковой левитации, в сочетании с ним у инженеров появится возможность собирать микросхемы не касаясь деталей.

В 2019 году на основе акустической левитации физики создали также и псевдоголографический дисплей, продемонстрировав объемный экран с тактильным откликом.

Статья опубликована на основе материалов американского научного журнала Applied Physics Letters — https://aip.scitation.org/