Đo lường để định lượng mối quan hệ giữa cánh côn trùng tự nhiên và cánh rô bốt bằng kính hiển vi laser LEXT OLS5100 Olympus

Tóm tắt:

Trường Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng Harvard yêu cầu một công cụ đo lường để định lượng mối quan hệ giữa cánh côn trùng tự nhiên, khuôn silicon gia công vi mô và cánh chế tạo.

Trường Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng (SEAS) đóng vai trò là người kết nối và tích hợp các nỗ lực giảng dạy và nghiên cứu của Harvard về kỹ thuật, khoa học ứng dụng và công nghệ trong khi thúc đẩy mối quan hệ với các phòng thí nghiệm của ngành và chính phủ hoặc phục vụ như một “vườn ươm” cho các dự án mới.

Trong SEAS là phòng thí nghiệm của Giáo sư từng đoạt giải thưởng Robert Wood, người nghiên cứu tập trung vào tất cả các khía cạnh của thiết kế, chế tạo, điều khiển và phân tích robot vi mô di động. Chuyên môn của phòng thí nghiệm của ông về chế tạo vi mô và thiết kế hệ thống vi mô kết hợp với những hiểu biết sâu sắc từ thiên nhiên đã cho phép tạo ra các robot vi mô hiệu suất cao cho môi trường trên không và trên mặt đất. Các hệ thống như vậy có thể được sử dụng để tìm kiếm và cứu hộ, thăm dò môi trường nguy hiểm, thăm dò, giám sát môi trường và trinh sát.

Hệ thống đồng tiêu laser Olympus OLS4000 tại phòng thí nghiệm của Giáo sư Wood được sử dụng để cung cấp các phép đo hình thái chính xác trong việc tạo ra micromolds và cánh côn trùng chế tạo.

Tái tạo thiên nhiên

Với các công cụ và nhân viên phù hợp, Giáo sư Robert Wood và Tiến sĩ Hiroto Tanaka tự tin rằng họ có thể tái tạo cánh của một con ruồi bay lượn. Và họ đã làm được! Nhóm của họ đã có thể sản xuất một cánh côn trùng nhân tạo làm bằng polymer và bản lề bằng sợi carbon trong khoảng thời gian khoảng một năm. Vì cánh côn trùng chịu trách nhiệm tạo lực bay, nên việc mô tả cấu trúc cánh theo 3 chiều là rất quan trọng. Cấu trúc 3D của cánh ảnh hưởng đáng kể đến cánh tính linh hoạt và hiệu suất khí động học kết quả trong suốt chuyến bay của côn trùng.

Chú ý đến chi tiết trong quá trình chế tạo, đặc biệt là các phép đo hồ sơ, là vô cùng quan trọng. Kính hiển vi đồng tiêu quét laser LEXT OLS4000 từ Olympus đã được chọn thay vì máy đo độ bền SEM và bút stylus làm công cụ đo lường quang học ưa thích cho dự án này. Lý do cho điều này là SEM không thể đo chiều cao và bút stylus profilometer thiếu khả năng đo các biên dạng dốc giống như tường quan trọng vì đầu bút stylus (thường có hình kim tự tháp vuông) sẽ va chạm với thành bên và không bao giờ chạm đến đáy. Một tính năng của OLS4000 là khả năng đo nhanh chóng và chính xác các hốc sâu và thành dốc 85 độ.

Real Wing Chế tạo cánh thực tế

Định lượng phương pháp quy trình

Sau khi thiết kế chính thức cánh bay lượn, cần phải tạo ra một khuôn sẽ làm cơ sở cho sản xuất. Những nỗ lực miệt mài được thực hiện để sao chép các đặc điểm địa hình phức tạp từ cả trên và dưới của cánh thành một khuôn silicon.

Silicon được chọn làm vật liệu khuôn do khả năng tương thích thuận lợi với các đặc tính khắc cắt bỏ bằng laser. Cắt bỏ laser được sử dụng nhiều lần để khắc / sao chép các chi tiết chính xác. Với 10 màng mỏng μ, chiều cao tĩnh mạch 50-125 μ và chiều cao nếp gấp 100 μ, người ta có thể tưởng tượng đây không phải là một nhiệm vụ dễ dàng. ¹ OLS4000 được sử dụng để tích hợp ba tính năng quy mô vi mô khác nhau này như một kiểm tra nhanh trong quá trình cắt bỏ. Sau mỗi lần cắt bỏ, OLS4000 đã được sử dụng để Cung cấp phản hồi về độ sâu khắc, với biến thể chấp nhận được là ±0,3 micron / bước. Quá trình quét với OLS4000 chỉ mất chưa đầy 1 phút – một quá trình rất nhanh với kết quả quyết định xem có cần cắt bỏ thêm hay không. Kết quả đo lường các cấu hình bề mặt của cánh tự nhiên, khuôn mẫu và cánh mới được chế tạo đã có thể chứng minh độ chính xác cao của phương pháp quy trình đúc sao chép mới này.

Đo các kênh hình vuông

Như đã đề cập trước đó, cấu trúc liên kết của cánh chế tạo cũng cần phải phù hợp với các đối tác tự nhiên của chúng. Ngoài cấu trúc, cấu hình cánh cũng có thể đóng một vai trò trong các đặc tính hiệu suất bay khác nhau. Cấu hình cánh của côn trùng ảnh hưởng đến cường độ nâng và lực cản khí động học. Quan trọng nhất, cấu hình cánh xác định tính linh hoạt của cánh và biến dạng kết quả trong quá trình bay.

LEXT OLS4000 sử dụng các lỗ kim và máy dò đồng tiêu kép giúp tăng độ nhạy của hệ thống sao cho có thể chụp ảnh và đo các thành bên lên đến 85 độ. Bởi vì các thiết kế khuôn của Tiến sĩ Tanaka yêu cầu các kênh hình chữ U khắc sâu với tỷ lệ khung hình cao, OLS4000 là hệ thống đồng tiêu quét laser duy nhất có thể đo chính xác các đặc điểm bề mặt quan trọng này.

Ngoài ra, khả năng khâu của OLS4000 là chìa khóa trong việc thực hiện các phép đo và theo dõi các đặc điểm cấu trúc trên một trường nhìn rộng hơn. Stitching là một kỹ thuật phần mềm cho phép một số hình ảnh có độ phân giải cao được kết hợp thành một. Điều này cung cấp một phép đo cấu hình gắn kết được thực hiện trên những gì bây giờ là toàn bộ phần cánh.

A. Cánh chế tạo, mặt nhẵn, 2-D B. Cánh chế tạo, mặt nhẵn, 3-D C. Cánh chế tạo, mặt tĩnh mạch, 3-D D. Cánh chế tạo, mặt tĩnh mạch, 2-D	Tổng quan về bản lề cabon. OLS4000 Chế độ không đồng tiêu Brightfield CCD, Ống kính khách quan MPLFLN 2.5X
Bản lề carbon. Chế độ đồng tiêu OLS 4000 Laser với lớp phủ màu.	Bản lề carbon. Chế độ đồng tiêu OLS 4000 Laser, 3D.

Xác minh chất lượng bản lề carbon

Kính hiển vi đồng tiêu quét laser Olympus LEXT OLS4000

Ở chân cánh nhân tạo là một bản lề bao gồm hai thành phần – các bộ phận sợi carbon cứng có màu đen và một màng uốn cực hẹp có màu trắng. Đặc biệt quan trọng là độ dày và chiều rộng kết quả sau khi cắt bỏ laser. Độ trung thực chiều rộng là cực kỳ quan trọng vì điều này ảnh hưởng đến độ cứng tổng thể của bản lề. Điều này đã được thực hiện bằng cách sử dụng chế độ hình ảnh không đồng tiêu CCD trường sáng của OLS4000 kết hợp với thước đo được hiệu chỉnh tính năng. Ngoài ra, một hình ảnh laser quét đã được sử dụng để thu thập và xác minh độ dày là 80 micron ±5 micron.