В области лазерных маркировочных машин пикосекундного уровня точность является основным показателем для оценки производительности оборудования. Основание, как ключевой носитель для лазерной системы и прецизионных компонентов, его материал напрямую влияет на стабильность точности обработки. Гранит и чугун, как два основных базовых материала, имеют существенные различия в характеристиках затухания точности во время сверхтонкой обработки пикосекундного уровня. В этой статье будет проведен глубокий анализ преимуществ и недостатков производительности этих двух материалов, чтобы обеспечить научную основу для модернизации оборудования.
Свойства материала определяют основу точности
Гранит по сути является магматической породой, образовавшейся в результате геологических процессов на протяжении сотен миллионов лет. Его внутренняя кристаллическая структура плотная и однородная, с линейным коэффициентом расширения всего 0,5-8 × 10⁻⁶/℃, что сопоставимо с коэффициентом прецизионных сплавов, таких как индиевая сталь. Эта характеристика делает его размерное изменение практически незначительным при колебаниях температуры окружающей среды, эффективно избегая смещения оптического пути и механических ошибок, вызванных тепловым расширением и сжатием. Кроме того, плотность гранита достигает 2,6-2,8 г/см³, что естественным образом обладает превосходной способностью поглощения вибрации. Он может быстро ослаблять высокочастотные вибрации, возникающие во время лазерной обработки, обеспечивая стабильность оптической системы и движущихся частей.
Чугунные основания широко используются благодаря своим превосходным литейным характеристикам и ценовым преимуществам. Типичная структура пластинчатого графита серого чугуна наделяет его определенными демпфирующими характеристиками, которые могут поглощать около 30–50 % энергии вибрации. Однако коэффициент теплового расширения чугуна составляет приблизительно 10–12 × 10⁻⁶/℃, что в 2–3 раза больше, чем у гранита. При накоплении тепла, выделяемого при длительной непрерывной обработке, существует вероятность возникновения размерной деформации. Между тем, внутри чугуна возникает литейное напряжение. Поскольку напряжение снимается в процессе использования, оно может вызвать необратимые изменения плоскостности и перпендикулярности основания.
Механизм прецизионного затухания при обработке на пикосекундном уровне
Пикосекундная лазерная обработка с ее сверхкороткими импульсными характеристиками позволяет достичь точной обработки на субмикронном уровне или даже нанометровом уровне, но она также предъявляет строгие требования к стабильности оборудования. Гранитное основание с его стабильной внутренней структурой может контролировать реакцию вибрации на субмикронном уровне при высокочастотном лазерном воздействии, эффективно поддерживая точность позиционирования фокуса лазера. Измеренные данные показывают, что лазерная маркировочная машина с гранитным основанием по-прежнему поддерживает отклонение ширины линии в пределах ±0,5 мкм после непрерывной 8-часовой пикосекундной обработки.
Когда чугунное основание подвергается высокочастотной вибрации пикосекундного лазера, внутренняя структура зерна будет подвергаться микроскопической усталости из-за непрерывного удара, что приведет к снижению жесткости основания. Данные мониторинга определенного предприятия по производству полупроводников показывают, что после шести месяцев эксплуатации скорость снижения точности обработки оборудования с чугунным основанием достигает 12%, что в основном проявляется в увеличении шероховатости краев линий и расширении ошибок позиционирования. Между тем, чугун относительно чувствителен к влажности окружающей среды. Длительное использование склонно к ржавчине, что еще больше ускоряет ухудшение точности.
Проверка различий в производительности в практических приложениях
В области обработки прецизионных электронных компонентов 3C известное предприятие провело сравнительный тест производительности оборудования двух типов материальных баз. В ходе эксперимента два пикосекундных лазерных маркировочных станка одинаковой конфигурации были соответственно оснащены гранитными и чугунными базами для резки и маркировки стекла экранов мобильных телефонов шириной 0,1 мм. После 200 часов непрерывной обработки процент сохранения точности обработки гранитного базового оборудования составил 98,7%, а чугунного базового оборудования — всего 86,3%. Кромки стекла, обработанного последним, показали явные пилообразные дефекты.
При производстве аэрокосмических компонентов данные долгосрочного мониторинга определенного научно-исследовательского института более наглядно отражают различия: лазерный маркировочный станок с гранитным основанием имеет совокупное затухание точности менее 3 мкм в течение пятилетнего срока службы; однако через три года погрешность обработки оборудования с чугунным основанием, вызванная деформацией основания, превысила стандарт процесса ±10 мкм, и необходимо провести общую калибровку точности станка.
Предложения по модернизации решений
Если предприятия считают высокоточную и долгосрочную стабильную обработку основными требованиями, особенно в таких областях, как полупроводниковые чипы и прецизионные оптические компоненты, гранитные основания с их выдающейся термостойкостью и вибростойкостью являются идеальным выбором для модернизации. Хотя его первоначальная стоимость закупки на 30–50 % выше, чем у чугуна, с точки зрения стоимости полного жизненного цикла, сниженная частота точной калибровки и простоя оборудования для обслуживания может значительно повысить общие преимущества. Для сценариев применения с относительно низкими требованиями к точности обработки и ограниченным бюджетом чугунные основания по-прежнему могут использоваться в качестве переходного решения при условии разумного контроля среды использования.
Систематически сравнивая характеристики затухания точности гранита и чугуна при обработке на пикосекундном уровне, можно увидеть, что выбор подходящего базового материала является ключевым шагом для повышения точности обработки и надежности лазерной маркировочной машины. Предприятия должны, в свете собственных технологических требований и соображений стоимости, принимать научные решения по плану модернизации базы, чтобы обеспечить прочную основу оборудования для высококлассного производства.
Время публикации: 22 мая 2025 г.