В областта на пикосекундните лазерни маркиращи машини, прецизността е основният показател за оценка на производителността на оборудването. Основата, като ключов носител за лазерната система и прецизните компоненти, и нейният материал пряко влияят върху стабилността и точността на обработката. Гранитът и чугунът, като два основни базови материала, имат значителни разлики в характеристиките на прецизно затихване по време на пикосекундна ултрафина обработка. Тази статия ще анализира задълбочено предимствата и недостатъците на производителността на двата материала, за да предостави научна основа за модернизиране на оборудването.
Свойствата на материалите определят основата на прецизността
Гранитът е по същество магмена скала, образувана чрез геоложки процеси в продължение на стотици милиони години. Вътрешната му кристална структура е плътна и равномерна, с коефициент на линейно разширение от едва 0,5-8 ×10⁻⁶/℃, сравним с този на прецизни сплави като индиева стомана. Тази характеристика прави промяната в размерите му почти незначителна при колебания на околната температура, като ефективно се избягват отмествания на оптичния път и механични грешки, причинени от термично разширение и свиване. Освен това, плътността на гранита е висока - 2,6-2,8 g/cm³, което естествено притежава отличен капацитет за абсорбиране на вибрации. Той може бързо да намали високочестотните вибрации, генерирани по време на лазерна обработка, осигурявайки стабилност на оптичната система и движещите се части.
Чугунените основи се използват широко поради отличните си характеристики на леене и предимствата по отношение на цената. Типичната люспеста графитна структура на сивия чугун му придава определени характеристики на демпфиране, които могат да абсорбират около 30% до 50% от вибрационната енергия. Коефициентът на термично разширение на чугуна обаче е приблизително 10-12 ×10⁻⁶/℃, което е 2-3 пъти повече от този на гранита. При натрупване на топлина, генерирана от продължителна непрекъсната обработка, е възможно да възникнат размерни деформации. В същото време вътре в чугуна възниква напрежение при леене. Тъй като напрежението се освобождава по време на процеса на употреба, това може да причини необратими промени в плоскостта и перпендикулярността на основата.
Механизмът за прецизно затихване при обработка на пикосекундно ниво
Пикосекундната лазерна обработка, със своите характеристики на ултракъси импулси, може да постигне фина обработка на субмикронно или дори нанометрово ниво, но също така поставя строги изисквания за стабилност на оборудването. Гранитната основа, със своята стабилна вътрешна структура, може да контролира вибрационния отговор на субмикронно ниво при високочестотно лазерно въздействие, като ефективно поддържа точността на позициониране на лазерния фокус. Измерените данни показват, че лазерната маркираща машина с гранитна основа все още поддържа отклонение в ширината на линията в рамките на ±0,5 μm след непрекъсната 8-часова пикосекундна обработка.
Когато чугунената основа е изложена на високочестотните вибрации на пикосекунден лазер, вътрешната зърнеста структура ще претърпи микроскопична умора поради непрекъснато въздействие, което ще доведе до намаляване на твърдостта на основата. Данните от мониторинга на определено предприятие за производство на полупроводници показват, че след шест месеца работа, степента на затихване на точността на обработка на оборудване с чугунени основи достига 12%, което се проявява главно като увеличаване на грапавостта на ръбовете на линиите и увеличаване на грешките в позиционирането. В същото време, чугунът е сравнително чувствителен към влажността на околната среда. Дългосрочната употреба е склонна към ръжда, което допълнително ускорява влошаването на прецизността.
Проверка на разликите в производителността при практически приложения
В областта на прецизната обработка на 3C електронни компоненти, известно предприятие проведе сравнителен тест върху производителността на оборудването с два вида материални основи. В експеримента две пикосекундни лазерни маркиращи машини с еднаква конфигурация бяха оборудвани съответно с гранитна и чугунена основа за рязане и маркиране на стъкло на екрани на мобилни телефони с ширина 0,1 мм. След 200 часа непрекъсната обработка, степента на запазване на точността на обработка на оборудването с гранитна основа беше 98,7%, докато това на оборудването с чугунена основа беше само 86,3%. Ръбовете на стъклото, обработено от последната, показаха очевидни дефекти под формата на трион.
При производството на аерокосмически компоненти, данните от дългосрочния мониторинг на определен изследователски институт по-интуитивно отразяват разликите: Лазерната маркираща машина с гранитна основа има кумулативно затихване на прецизността по-малко от 3μm в рамките на петгодишен експлоатационен живот; След три години обаче грешката в обработката на оборудването с чугунена основа, причинена от деформацията на основата, е надвишила стандарта за процес от ±10μm и е необходимо да се извърши калибриране на общата точност на машината.
Предложения за решения за надграждане
Ако предприятията приемат за свои основни изисквания високопрецизната и дългоциклична стабилна обработка, особено в области като полупроводникови чипове и прецизни оптични компоненти, гранитните основи, с тяхната изключителна термична стабилност и устойчивост на вибрации, са идеален избор за подобрение. Въпреки че първоначалната им цена на закупуване е с 30% до 50% по-висока от тази на чугунените, от гледна точка на разходите за целия жизнен цикъл, намалената честота на прецизно калибриране и престой на оборудването за поддръжка може значително да увеличи общите ползи. За сценарии на приложение с относително ниски изисквания за точност на обработката и ограничен бюджет, чугунените основи все още могат да се използват като преходно решение, при условие че се осигурява разумен контрол на средата на използване.
Чрез систематично сравняване на характеристиките на прецизно затихване на гранит и чугун при обработка на пикосекундно ниво, може да се види, че изборът на подходящ основен материал е ключова стъпка за подобряване на точността на обработка и надеждността на лазерната маркираща машина. Предприятията, в светлината на собствените си технологични изисквания и съображения за разходи, трябва да вземат научни решения относно плана за обновяване на основата, за да осигурят солидна основа за оборудване за висококачествено производство.
Време на публикуване: 22 май 2025 г.