Pikosekundinių lazerinių žymėjimo mašinų srityje tikslumas yra pagrindinis rodiklis, vertinant įrangos našumą. Pagrindas, kaip pagrindinis lazerinės sistemos ir tiksliųjų komponentų nešėjas, jo medžiaga tiesiogiai veikia apdorojimo tikslumo stabilumą. Granitas ir ketus, kaip dvi pagrindinės medžiagos, turi reikšmingų skirtumų tikslumo slopinimo charakteristikose pikosekundinių ultragarsinio apdorojimo metu. Šiame straipsnyje bus išsamiai analizuojami šių dviejų medžiagų našumo privalumai ir trūkumai, siekiant pateikti mokslinį pagrindą įrangos atnaujinimui.
Medžiagų savybės lemia tikslumo pagrindą
Granitas iš esmės yra magminė uoliena, susidariusi geologinių procesų metu per šimtus milijonų metų. Jo vidinė kristalinė struktūra yra tanki ir vienoda, o linijinio plėtimosi koeficientas yra vos 0,5–8 × 10⁻⁶/℃, palyginamas su tiksliųjų lydinių, tokių kaip indžio plienas, koeficientu. Dėl šios savybės granito matmenų pokyčiai beveik nereikšmingi, kai svyruoja aplinkos temperatūra, todėl efektyviai išvengiama optinio kelio poslinkio ir mechaninių paklaidų, atsirandančių dėl šiluminio plėtimosi ir susitraukimo. Be to, granito tankis siekia net 2,6–2,8 g/cm³, todėl jis natūraliai pasižymi puikiu vibracijos sugėrimo gebėjimu. Jis gali greitai slopinti lazerinio apdorojimo metu susidarančias aukšto dažnio vibracijas, užtikrindamas optinės sistemos ir judančių dalių stabilumą.
Ketaus pagrindai yra plačiai naudojami dėl puikių liejimo savybių ir kainos pranašumų. Tipiška pilkojo ketaus dribsnių pavidalo grafito struktūra suteikia jam tam tikrą slopinimo savybę, kuri gali sugerti apie 30–50 % vibracijos energijos. Tačiau ketaus šiluminio plėtimosi koeficientas yra maždaug 10⁻⁶ × 10⁻⁶/℃, tai yra 2–3 kartus didesnis nei granito. Dėl ilgalaikio nepertraukiamo apdorojimo metu kaupiantis šilumai, gali atsirasti matmenų deformacija. Tuo tarpu ketaus viduje atsiranda liejimo įtempis. Įtempiui atsilaisvinus naudojimo proceso metu, gali atsirasti negrįžtamų pagrindo plokštumo ir statmenumo pokyčių.
Tikslaus slopinimo mechanizmas pikosekundinio lygio apdorojime
Pikosekundinis lazerinis apdorojimas, pasižymintis itin trumpų impulsų charakteristikomis, gali pasiekti tikslų apdorojimą submikronų ar net nanometrų lygmenyje, tačiau kartu kelia griežtus įrangos stabilumo reikalavimus. Granito pagrindas, turintis stabilią vidinę struktūrą, gali valdyti vibracijos atsaką submikronų lygmenyje, veikiant aukšto dažnio lazerio smūgiui, efektyviai išlaikydamas lazerio fokusavimo padėties nustatymo tikslumą. Išmatuoti duomenys rodo, kad lazerinio žymėjimo mašina su granito pagrindu po nepertraukiamo 8 valandų pikosekundinio apdorojimo vis dar išlaiko linijos pločio nuokrypį ±0,5 μm ribose.
Kai ketaus pagrindas yra veikiamas pikosekundinio lazerio aukšto dažnio vibracijos, vidinė grūdelių struktūra dėl nuolatinio smūgio patiria mikroskopinį nuovargį, dėl kurio sumažėja pagrindo standumas. Tam tikros puslaidininkių gamybos įmonės stebėjimo duomenys rodo, kad po šešių mėnesių eksploatavimo įrangos su ketaus pagrindais apdorojimo tikslumo silpnėjimo rodiklis siekia 12 %, o tai daugiausia pasireiškia linijų kraštų šiurkštumo padidėjimu ir padėties nustatymo paklaidų didėjimu. Tuo tarpu ketus yra gana jautrus aplinkos drėgmei. Ilgalaikis naudojimas yra linkęs rūdyti, o tai dar labiau pagreitina tikslumo blogėjimą.
Praktinių pritaikymų efektyvumo skirtumų patikrinimas
3C elektroninių tiksliųjų komponentų apdirbimo srityje gerai žinoma įmonė atliko dviejų tipų medžiagų pagrindų įrangos našumo lyginamąjį bandymą. Eksperimento metu dvi pikosekundinės lazerinio žymėjimo mašinos su ta pačia konfigūracija buvo atitinkamai aprūpintos granito ir ketaus pagrindais, kad būtų galima pjauti ir žymėti mobiliųjų telefonų ekranų stiklą, kurio plotis yra 0,1 mm. Po 200 valandų nepertraukiamo apdorojimo granito pagrindo įrangos apdorojimo tikslumo išlaikymo rodiklis buvo 98,7 %, o ketaus pagrindo įrangos – tik 86,3 %. Pastarosios įrangos apdoroto stiklo kraštuose buvo akivaizdžių pjūklo dantų defektų.
Gaminant aviacijos ir kosmoso komponentus, tam tikro tyrimų instituto ilgalaikiai stebėjimo duomenys intuityviau atspindi skirtumus: lazerinio žymėjimo mašinos su granito pagrindu bendras tikslumo slopinimas per penkerių metų eksploatavimo laiką yra mažesnis nei 3 μm; tačiau po trejų metų ketaus pagrindo įrangos apdorojimo paklaida, atsiradusi dėl pagrindo deformacijos, viršijo ±10 μm proceso standartą, todėl reikia atlikti bendrą mašinos tikslumo kalibravimą.
Pasiūlymai dėl sprendimų atnaujinimo
Jei įmonės, ypač puslaidininkių lustų ir tiksliųjų optinių komponentų srityse, laiko pagrindinius didelio tikslumo ir ilgalaikio stabilumo apdorojimo reikalavimus, granito pagrindai, pasižymintys išskirtiniu terminiu stabilumu ir atsparumu vibracijai, yra idealus pasirinkimas. Nors pradinė pirkimo kaina yra 30–50 % didesnė nei ketaus, atsižvelgiant į viso gyvavimo ciklo sąnaudas, mažesnis tikslumo kalibravimo dažnis ir įrangos prastovos dėl priežiūros gali žymiai padidinti bendrą naudą. Taikant taikymo scenarijus, kuriems taikomi santykinai maži apdorojimo tikslumo reikalavimai ir ribotas biudžetas, ketaus pagrindai vis tiek gali būti naudojami kaip pereinamasis sprendimas, jei pagrįstai kontroliuojama naudojimo aplinka.
Sistemingai lyginant granito ir ketaus tikslumo slopinimo charakteristikas pikosekundinio lygio apdorojime, matyti, kad tinkamos pagrindinės medžiagos pasirinkimas yra pagrindinis žingsnis siekiant pagerinti lazerinio žymėjimo mašinos apdorojimo tikslumą ir patikimumą. Įmonės, atsižvelgdamos į savo technologinius reikalavimus ir sąnaudų aspektus, turėtų priimti mokslinius sprendimus dėl bazinio atnaujinimo plano, kad būtų užtikrintas tvirtas įrangos pagrindas aukščiausios klasės gamybai.
Įrašo laikas: 2025 m. gegužės 22 d.