В области пикосекундных лазерных маркировочных машин точность является ключевым показателем оценки производительности оборудования. Основание, являясь ключевым несущим элементом лазерной системы и прецизионных компонентов, напрямую влияет на стабильность точности обработки. Гранит и чугун, два основных базовых материала, существенно различаются по характеристикам затухания при пикосекундной сверхтонкой обработке. В данной статье подробно анализируются преимущества и недостатки этих двух материалов, чтобы предоставить научную основу для модернизации оборудования.
Свойства материала определяют основу точности
Гранит – это, по сути, магматическая горная порода, образовавшаяся в результате геологических процессов на протяжении сотен миллионов лет. Его внутренняя кристаллическая структура плотная и однородная, с коэффициентом линейного расширения всего 0,5-8 × 10⁻⁶/℃, что сопоставимо с коэффициентом прецизионных сплавов, таких как индиевая сталь. Эта характеристика делает изменение его размеров практически незначительным при колебаниях температуры окружающей среды, эффективно предотвращая смещение оптического пути и механические погрешности, вызванные тепловым расширением и сжатием. Кроме того, плотность гранита достигает 2,6-2,8 г/см³, что обеспечивает отличную способность к поглощению вибраций. Он способен быстро гасить высокочастотные вибрации, возникающие при лазерной обработке, обеспечивая стабильность оптической системы и подвижных частей.
Чугунные основания широко используются благодаря своим превосходным литейным характеристикам и экономичности. Типичная структура серого чугуна с пластинчатым графитом обеспечивает ему определённые демпфирующие свойства, позволяя поглощать от 30% до 50% энергии вибрации. Однако коэффициент теплового расширения чугуна составляет приблизительно 10-12 × 10⁻⁶/℃, что в 2-3 раза больше, чем у гранита. Под воздействием тепла, выделяемого при длительной непрерывной обработке, возможна размерная деформация. При этом внутри чугуна возникают литейные напряжения. Снятие напряжений в процессе эксплуатации может привести к необратимым изменениям плоскостности и перпендикулярности основания.
Механизм прецизионного затухания при обработке на пикосекундном уровне
Пикосекундная лазерная обработка, благодаря своим сверхкоротким импульсам, позволяет достичь точности обработки на субмикронном и даже нанометровом уровне, но при этом предъявляет высокие требования к стабильности оборудования. Гранитное основание с его стабильной внутренней структурой позволяет контролировать вибрационный отклик на субмикронном уровне при высокочастотном лазерном воздействии, эффективно поддерживая точность позиционирования лазерного фокуса. Измеренные данные показывают, что лазерный маркиратор с гранитным основанием сохраняет отклонение ширины линии в пределах ±0,5 мкм после непрерывной 8-часовой пикосекундной обработки.
При воздействии высокочастотной вибрации пикосекундного лазера на чугунное основание внутренняя структура зерна подвергается микроскопической усталости из-за непрерывного воздействия, что приводит к снижению жёсткости основания. Данные мониторинга, проведённого на одном из предприятий по производству полупроводников, показывают, что после шести месяцев эксплуатации снижение точности обработки оборудования с чугунным основанием достигает 12%, что в основном проявляется в увеличении шероховатости кромок линий и увеличении погрешностей позиционирования. Кроме того, чугун относительно чувствителен к влажности окружающей среды. Длительное использование склонно к образованию ржавчины, что ещё больше ускоряет снижение точности.
Проверка различий в производительности в практических приложениях
В области обработки прецизионных электронных компонентов 3C известное предприятие провело сравнительные испытания производительности оборудования, работающего на двух типах базовых материалов. В ходе эксперимента два пикосекундных лазерных маркиратора одинаковой конфигурации были оснащены гранитным и чугунным базами для резки и маркировки стекла экранов мобильных телефонов толщиной 0,1 мм соответственно. После 200 часов непрерывной обработки точность обработки оборудования с гранитным базой составила 98,7%, а оборудования с чугунным базой – всего 86,3%. На кромках стекла, обработанного последним, наблюдались явные пилообразные дефекты.
При изготовлении компонентов для аэрокосмической отрасли данные долгосрочного мониторинга определенного научно-исследовательского института 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 предприятиям, особенно в таких областях, как производство полупроводниковых кристаллов и прецизионных оптических компонентов, необходимы высокоточная и стабильная обработка в течение длительного цикла, гранитные основания, обладающие исключительной термостойкостью и вибростойкостью, являются идеальным вариантом для модернизации. Хотя первоначальная стоимость их закупки на 30–50% выше, чем у чугунных, с точки зрения стоимости полного жизненного цикла, снижение частоты прецизионной калибровки и простоев оборудования для технического обслуживания может значительно повысить общие преимущества. В случаях применения с относительно низкими требованиями к точности обработки и ограниченным бюджетом чугунные основания могут использоваться в качестве переходного решения при условии разумного контроля условий эксплуатации.
Систематическое сравнение прецизионных характеристик затухания гранита и чугуна при обработке на пикосекундном уровне показывает, что выбор подходящего базового материала является ключевым шагом для повышения точности обработки и надежности лазерного маркировщика. Предприятиям следует, учитывая собственные технологические требования и финансовые соображения, принимать обоснованные решения по плану модернизации базы, чтобы обеспечить прочную основу для высокотехнологичного производства.
Время публикации: 22 мая 2025 г.