2.4Moderné technológie používané v mechatronike
Existujú mechatronické výrobky, v ktorých je zjavný trend smerom k miniaturizácii, spoľahlivosti a vyššou funkčnosťou. Pri klasifikácii strojov, senzorov alebo mechanizmov podľa ich rozmerov používame rôzne modifikácie termínov pomocou vkladania predpôn od submilimetrových súčiastok v náramkových hodinkách. Makrostroje merajú niekoľko stoviek metrov (lietadlá, tankery). Pravdepodobne najväčším strojom na svete je urýchľovač častíc v CERN-e v Ženeve, ktorý má priemer 27 km. Submilimetrová hranice stupnice je ohraničená miniaturizáciou, ktorou sú schopné realizovať konvenčné technológie triskového obrábania. Mikrostroj- predstavuje veľkosť stroja alebo zariadenia od 10mm do 1ηm, vyrobeného montážou extrémne malých funkčných častí. U mikrosystémov ich výroba, montáž, materiály, dodávky energie vyžadujú nové techniky a prístupy, vhodné pre miniaturizáciu strojov. Technológia mikrostrojov formuje nový základ v priemysle, pretože ich použitie je významné v mnoho priemyselných oblastiach. V súčasnosti tieto technológie úspešne využívame hlavne v informačno-komunikačnej a automobilovej oblasti vo forme mikrosenzorov. Nanostroj- pomocou nanotechnológií sa vytvárajú štruktúry o veľkosti 1.10-7- 10 - 9 m. Pre ilustráciu, rozmery jednotlivých atómov sú radovo 10-10m. V týchto rozmeroch sa už významne uplatňujú kvantové vlastnosti hmoty. Medzi základné technológie mikrostrojov patrí technológia mikroobrábania.

Kremíková technológia je tiež nazývaná technológiou integrovaných obvodov. Neskôr bola táto technológia použitá na miniaturizáciu mechanických častí tlakových senzorov a senzorov zrýchlenia a bola ďalej aplikovaná na výrobu mikromotorov a ďalších mikrostrojov. Základná procedúra pre výrobu mikrostrojov spočíva v týchto nasledujúcich krokoch:
-povrch kremíkového plátku je naoxidovaný vytvorením extrémne tenkého filmu SiO2
-tenký oxidačný film je pokrytý pomocou tenkej fotocitlivej živice (pozitívny alebo negatívny fotorezist)
-fotorezist je exponovaný (vystavený UV žiareniu) cez masku, ktorá ma žiadaný vzor
-exponované časti rezistoru sú odobrané z kremíkového plátku pomocou procesu vyvolávania (v prípade pozitívneho rezistu)
-tenký film SiO2 v exponovaných častiach (kde nie je rezist) je leptaný na odkrytie kremíkovej plochy
-kremíkový alebo kovový tenký film je vytvorený na tieto ploche pomocou chemického naparovacieho nanášania (Chemical Vapour Depositon- CVD).

Vhodnými metódami pre riešenie problému s hrúbkou a tuhosťou sú tzv. LIGA technológie, mikroiskrové obrábanie, fotoformovacie a konvenčné obrábanie.

LIGA(skratka z nemeckých slov pre litografiu, elektrolytické prekovovanie a lisovanie) je technológia mikrostrojov, vyvinutá v Jadrovom výskumnom centre v Karlsruhe v Nemecku. Pri tejto technológii rovnobežné rentgenové žiarenie zo synchrotrónu dopadá na vhodne upravenú šablónu s príslušným vzorom. Šablóna je upravená tak, aby na určitých miestach- plochách – zabránila prenikaniu žiarenia. V otvorených plochách masky žiarenie prechádza a exponuje ochrannú látku- PMMA resist (polymethylmethakrylát). Resist je potom vyvolaný a výsledkom je PMMA forma použitá na výrobu kovových súčiastok pomocou elektrolytického pokovovania vo vyvolávaných oblastiach.
LIGA technológia umožňuje výrobu štruktúr, ktoré majú vertikálne rozmery od 100 mikrometrov až to milimetrov a horizontálne rozmery môžu byť niekoľko mikrometrov. Sú to trojrozmerné štruktúry definované dvojrozmernou litografickou šablónou (maskou).

LIRIE technológie je založená na hĺbkovom suchom leptaní alebo elektrochemickom mokrom leptaní a využíva odstraňovanie vrstiev, ktoré je kompatibilné s technológiou integrovaných obvodov.

Mikroiskrové obrábanie (EDM) je metóda, pri ktorej sa roztavuje a roziskruje časť obrobku proti nástroju pomocou iskrenia medzi obrobkom a elektródou – nástrojom. Obvykle sú obrobok i nástroj ponorené do izolačnej tekutiny (deionizovaná voda, petrolej). Ak dôjde k prerazeniu dielektrika, vzniká iskra, ktorá roztaví časť obrobku, a súčasne sa rýchlo vyparí tekutina a roztavená časť je okamžite rozstrieknutá. Nevýhodou je, že sa dajú opracovávať len elektricky vodivé materiály, ale polovodiče (napr. kremík) je možné opracovávať len v závislosti na ich vodivosti. Výhoda tejto metódy je bezkontaktná práca, nie sú použité žiadne veľké sily medzi materiálom a pracovným nástrojom, a tak je možné vyrobiť jemný a tenký produkt.

Existujú 3 základné typy tejto technológie:
-Drôtová EDM metóda (Wire EDM) používa drôtovú elektródu na rezanie tvaru určeného špeciálnym programom
-Hĺbenie matricou (Die Sinking) pozostáva z použitia tvarovanej elektródy na opracovanie dutín v tvare (negatívnom) nástroja
-EDM frézovanie (Milling EDM), ktoré sa používa pre výrobu komplexných tvarov pomocou jednoduchej valcovej elektródy.

Fotoformovanie znamená vytváranie štruktúr pomocou fotopolymerizujúcich látok, tekutej živice, ktorá tvrdne po exponovaní laserovým lúčom alebo iným zastreným žiarením. V tomto procese je tenký film fotopolymerizujúcej látky najprv natvarovaný nastavením výšky podstavca pod hladinou tekutej živice a potom exponovaný lúčom, ktorý rozkladá povrch do kriviek, formujúcich tenkovrstvovú štruktúru. Proces je opakovaný pri zostavovaní ďalších vrstiev tvrdnúcej živice na vytvarovanie ľubovoľnej trojrozmernej geometrie. Minimálne možné rozmery a presnosť pri tejto technológii závisia predovšetkým od priemeru lúča a hrúbky vrstvy tvrdnúcej živice.

Obrábanie lúčom je metódou lokálneho obrábania, kde je plocha materiálu ožiarená pomocou energetického lúča svetla, elektrónu alebo iontov. Teda v širokom zmysle predstavuje kombináciu elektroiskrového obrábania a fotoformovania. Lúčové obrábanie sa dá využiť napr. pri výrobe otvorov- kremíkový plátok umiestnený v reaktívnej plynnej atmosfére (SiH4), je exponovaný laserovým lúčom na vynútenie lokálneho rastu kremíkových kryštálov, ktoré tak vytvorí mikroštruktúru. Často používaným je obrábanie iontovým lúčom(FIB), kedy napr. veľmi malé písmená na ploche diamantového vrúbkovača sú vyryté pomocou tejto FIB
technológie. Táto metóda umožňuje hromadnú výrobu.

Z ostatných technológií pri výrobe sa často používajú povrchové úpravy materiálov súčiastok, čo umožňuje zlepšiť vlastnosti používaného materiálu. Jedným z najnovších trendov sú tzv. duplexné povrchové úpravy. Tento typ predstavuje postupnú aplikáciou dvoch alebo viac povrchových technológií na vytvorenie povrchového kompozitu s kombinovanými vlastnosťami. Dochádza skôr k ich synergii. Existuje však mnoho ďalších vhodných metód mikroobrábania a v budúcnosti budú určite vznikať ďalšie technológie. Každá z nich má svoje výhody a nevýhody a je dôležité vybrať pre daný typ súčiastky vhodnú technológiu a pritom zohľadniť možnosti a jej ekonomický dopad. Súčiastky mikrostrojov nemusia mať len danú špecifickú trojrozmernú geometriu, ale musia mať i dostatočnú mechanickú pevnosť a trvanlivosť. Preto sú vývoj a zlepšovanie uvedených technológií dôležité pre ďalší vývoj v oblasti mikromechatronických výrobkov. Súčasne s vývojom technológií mikrosúčiastok sa musí rozvíjať i technológie ich spájkovania a mikromontáže.

Nanotechnológia
Nanotechnológia sa zaoberá vytváraním štruktúr o veľkosti 10-7-10-9m, rozmery jednotlivých atómov sú rádovo 10-10m, čo znamená, že sa už významne uplatňujú kvantové vlastnosti hmoty. Nanotechnológia, pracujúca v rozmeroch 103 krát menších než mikroelektronika, zahrňuje postupy využívané pri výrobe elektrotechnických súčiastok, ale i výskum a vývoj nových materiálov (polymery, uhlíkové nanotrubice). Umožňuje vytváranie monomolekulárnych vrstiev, ale i návrh a realizáciu vhodných meracích sond a zariadení. Podľa optimistických predpokladov sa v roku 2049 dosiahne veľkosť kremíkových štruktúr asi 30 nm. Tým sa dospeje k samej hranici, za ktorú už nanoelektronika prechádza na kvantovú elektroniku. Vzdialenosť 30 nm zodpovedá už len 128 atómom kremíka, keď sú izolačné vrstvy silné len niekoľko atómových vrstiev.
Bolo dokázané, že s dnes najrozšírenejšou technológiou CMOS sa dá zvládnuť štruktúry menšie než 5nm, takže je pravdepodobnosť, že táto technológia bude rozhodujúca ešte aspoň 10 rokov. Očakáva sa, že využitím kvantových javov budú prekonané hranice klasickej fyziky. Ak mikroelektronika je založená na pohybe nosičov elektrického náboja v elektrickom poli v polovodičových štruktúrach s nehomogénnym rozložením koncentrácie aktívnych prímesí, potom nanoelektronika je založená na spínacích efektoch a ukladaní informácie na molekulárnej úrovni. Očakáva sa uplatnenie koncepcie nanosystémov s extrémne malou spotrebou, napájaných palivovými článkami, zhotovených metódami mikromechaniky MEMS.

Využitie nanoelektroniky je najskôr v počítačoch. Jej ďalší vývoj bude podmienený iným prístupom k návrhu integrovaných systémov, keď sa pravdepodobne nebude postupovať zhora dole od makroskopických kryštálov a zákonitostí zjemňovania štruktúr, ale naopak- zdola hore. Pretože sa bude vychádzať z atómov a ich usporiadania, budú vytvárané umelé molekulárne nanosystémy so špeciálnymi vlastnosťami.

Stereolitografia
Behom uplynulých rokov vzniklo množstvo metód pre rýchlu výrobu prototypov. Najúspešnejšou a najčastejšie používanou metódou je stereolitografia. Využíva kombináciu laserovej techniky, počítačom riadeného mechanizmu a vlastnosti špeciálnych fotopolymérov.

Princíp metódy
Výrobný proces sa dá rozdeliť do 3 etáp:
a-príprava modelu
b-vlastná výroba stereolitografického (SL) modelu
c-dokončenie

Základom pre výsledný SL model je jeho matematický popis. Ten sa dosahuje modelovaním objektu v trojrozmernom CAD systéme. Transformované dáta modelu sú predané do výpočtovej časti stereolitografického zariadenia a ďalej spracované. Model je softvérovo rozrezaný na tenké vrstvy hrubé 0,1mm a každú takto vytvorenú vrstvu uloží. Proces prebieha automaticky. Táto časť je rozhodujúca pre výslednú presnosť modelu. Na jeho orientácii v priestore (a teda smere vytvárania rovinných rezov) závisí vytvorenie geometricky správnych tvarov. V danom module aplikačného softvéru sú doplnené údaje o fotopolymére a vygeneruje sa program pre riadiacu jednotku stereografického zariadenia.

Vlastné zariadenie sa skladá z nízkoenergetického laseru, sústavy zrkadiel riadených servopohonmi a pracovnej komory s pracovnou doskou opäť poháňanou servopohonmi. Súčasťou je tiež riadiaci PC s patričným softvérom.

Pracovná komora je vybavená nádržou s fotopolymerom. V nej sa pohybuje pracovná doska, na ktorej dochádza k rastu modelu. Vlastný proces prebieha takto:

Na základe dát predaných z PC vykreslí laserový lúč usmernený na hladinu kvapaliny sústavou zrkadiel plochu jednej vrstvy rozrezaného modelu. Potom sa pracovná doska ponorí do nádrže s fotopolymerom tak hlboko, aby došlo k úplnému zmočeniu vytvorenej vrstvy a vynorí sa späť, takže medzi vytvoreným polymerom a hladinou zostane kvapalina s hrúbkou práve jednej vrstvy, a celý proces sa opakuje.

Prevedením trojrozmerného objektu na dvojrozmerný sa dajú vytvárať ľubovoľné zložité útvary. Vytvrdenie laserovým lúčom nie je dokonalé. K dotvrdeniu a osušeniu povrchu modelu od zbytkov živice dochádza v ultrafialovej peci. Hotové modely sa dajú dobre upravovať. Vzhľadom k vlastnostiam materiálov sa dá povrch brúsiť a leštiť. Modely sa dajú ľahko obrábať klasickými metódami, dajú sa do nich vŕtať otvory alebo rezať závity a pod. Pretože rada modelov je určená pre marketing a do oblasti designu, je dôležitá možnosť modely farbiť bežnými farbami na epoxidové živice, alebo máčaním v práškových materiáloch. Potrebou súčasných designérov a konštruktérov je pracovať s fyzickým modelom, kontrolovať ergonómiu, zmontovateľnosť, opraviteľnosť a iné vlastnosti. Výhody fyzického modelu vedú k zrýchleniu celého procesu vývoja výrobku. Výroba modelov a prototypov klasickými technológiami je veľmi náročná a zdĺhavá. Rapid prototyping umožňuje priamu väzbu na vývojové prostredie, preto je najvhodnejšou cestou k splneniu väčšiny požiadaviek konštruktéra.

Okrem už zmienených technológií mikroobrábania sú pre výrobu mechatronických dielov vhodné
a-technológie zvárania tenkých plechov mikroplazmou
b-rezanie vysokotlakovým vodným lúčom
c-moderné postupy lepenia

a-pre zváranie tenkých plechov sa dá využiť technológia, u ktorej reguláciu tepelného príkonu môžeme previesť plynule, s vysokou hustotou energie plazmy. Plazma vzniká v plazmovom horáku pri priechode plazmového plynu stabilizovaným elektrickým oblúkom. V dôsledku vysokej teploty a z toho plynúcej energie zrážok atómov dochádza k ionizácii. Táto ionizačná energia sa v mieste dopadu lúča plazmy uvoľňuje a využíva k taveniu materiálu. Fokusáciu lúča plazmy na výstupe z trysky zaisťuje fokusačný plyn (Ar, Ar+H2, Ar+N2). Pre nižšie výkony je fokusácia prevedená vodíkom, ktorý sa privádza v množstve do 10% v ochrannej atmosfére. Plyn obklopuje lúč plazmy a chráni taveninu pred účinkami atmosférického kyslíka. Mikroplazmové zváranie pri zváracom prúde 0,1- 15A je technológia zvlášť dobre využiteľná pre zváranie tenkých plechov. Kvalita spoja závisí tiež od ďalších parametrov zvárania, napr. od premieru wolfrámovej elektródy a trysky, rýchlosti prúdu, čistote a prietoku plazmového plynu- argónu.
b-Dominantným rysom technológie vysokoenergetického kvapalinového lúča (VKP) je studený rez, ktorý delený materiál teplotne neovplyvňuje. Pri obrábaní nedochádza k zmene štruktúry a tým k znehodnoteniu materiálu v oblasti rezu, ako u všetkých tepelných deliacich metód, ani k extrémnemu silovému zaťaženiu. Princíp metódy spočíva v pôsobení vysokého tlaku (bežne až 380 MPa) kvapalinového lúča na delený materiál. Rez vodným lúčom je veľmi úzky, čo je prednosťou pri rezaní tvarovo komplikovaných výrobkov alebo v prípade úspory drahých polotovarov. Technológia VKP sa dá využiť pri rezaní všetkých druhov ocelí, vrátane nástrojových , nerezových a špeciálnych v žíhanom stave, ale aj po konečnom tepelnom spracovaní. Bežne sa obrábajú zliatiny hliníka, medi alebo titánu. V strojárenstve sa dnes uplatňujú i ďalšie druhy materiálov (lamináty, umelé hmoty, kompozity, keramika- tepelné a elektrické izolanty), pre ktoré je často VKP jedinou vhodnou deliacou technológiou. Ďalšími výrobnými obormi, kde je časté uplatnenie VKP sú automobilový, papierenský, gumárenský, drevársky a priemysel umelých hmôt.
c-Rozvoj technológie lepenia je v posledných 40 rokoch prekvapivo prudký. Výhodou špeciálnych lepidiel je možnosť spojovať rôzne konštrukčné materiály- nezvariteľné a rôznorodé- plasty, kovy, pryž a sklo. Lepiť sa dajú aj veľmi tenké a krehké materiály, a pretože je namáhanie rozložené na celú plochu spoja, je možné používať i tenšie plechy. Lepiť je možné aj v prostredí s nebezpečenstvom výbuchu, alebo kde sa nedá zvárať z iných bezpečnostných dôvodov. Neexistuje však univerzálne lepidlo. Množstvo faktorov, ktoré ovplyvňujú vlastnosti spoja činia každú aplikáciu unikátnou. V strojárenstve, automobilovom a leteckom priemysle, v kozmonautike sa využívajú predovšetkým špeciálne kyanoakrylátové jednozložkové lepidlá, ktoré môžu stuhnúť za menej ako 10s pri izbovej teplote. Rozmerné magnety urýchľovačov jadrových častíc sa dajú vyrobiť v podstate len vrstvením magnetizovaných plechov, ktoré sa lepia pomocou epoxidových lepidiel vytvrdzovaných do 40ºC, aby sa neovplyvnili magnetické vlastnosti celého zariadenia. Lepidlá sú tvorené polymérmi, ktoré predstavujú tepelný i elektrický izolant. Avšak pre mnohé dôležité priemyselné účely je nevyhnutné, aby lepidlo bolo schopné viesť prúd alebo teplo. Vodivé lepidlá vytvárame vnesením určitého množstva kovového (strieborného alebo zlatého ) prášku a ďalších špeciálnych plnidiel. Lepidlo z epoxidových polymérov sa už dlho užíva k spojovaniu logických obvodov a komunikačných častí. Používajú sa v optických spojoch. S pokrokom optoelektronike sa podarilo vyvinúť spoľahlivé optické lepidlo, ktoré znížilo útlm signálov pri prechode spoja. Sú známe i prírodné lepdlá a tzv. biolepidlá, využívané v medicíne. Lepenie znižuje výrobné náklady i v strojárenstve.

2.5Príklady a ukážky mechatronických výrobkov
Mechatronika prináša radu nových podnetov jak v mechanike (napr. vyššiu rýchlosť pohybov, extrémne malé a presné výchylky a polohy mechanizmov, tzv. aktívne tlmenie, používanie riadených magnetických ložísk pri uložení hriadeľov rýchlobežných pohonov), tak i v elektrotechnike a elektronike( rozvoj nových mikroprvkov, mikrosenzorov na jednom čipe, komunikácie a prenos informácií vo vnútri mechatronických výrobkov pomocou oprických vlákien).

Podľa charakteru objektu, na ktorý sa aplikuje mechatronický prístup, sa môžeme stretnúť s týmito oblasťami aplikácií:
-inžinierska mechatronika, u ktorej je aplikačným objektom technické zariadenie alebo technologický proces. Ako príklady uvádzame robotické sústavy, redundantné paralelné roboty, lesné roboty, roboty v poľnohospodárstve(pre žatvu ovocia a poľnohospodárskych plodín, strihanie ovocia, mechatronické poľnohospodárske stroje), v jadrovej energetike, v chemickom priemysle a vo vojenstve, vozidlá s počítačom v miestach realizácie určitých činností, riadené pérovanie vozidiel, systémy kozmických sond, systémy autopilota, navigácie a zbraňových systémov, nekývajúci sa portálový žeriav, riadené tlmenie vibrácií strojov. Dnes sem patria aj prístroje pre vybavenie kancelárií či domácností, napr. mobilné telefóny, holiace strojčeky a pod.
-mikro- a nanomechatronika
-biomechatronika, ak sú aplikačnými okruhmi bioobjekty, predovšetkým ľudia. Sem patria napr. biomechanické sústavy, poznávacie, klinické, rehabilitačné, ale i športové a pre invalidov napr. inteligentné protézy.

Za príklady mechatronických výrobkov môžu slúžiť číslicové riadené obrábacie stroje, priemyslové roboty, fotokamery, programovateľné automaty, bezobslužné kamery, polygrafické stroje, lekárske prístroje, umelé satelity, systémy pre riadenie lietadiel počítačom, inteligentné práčky, holiace strojčeky a pod.