Na področju strojev za lasersko označevanje na pikosekundni ravni je natančnost ključni kazalnik za ocenjevanje delovanja opreme. Osnova, kot ključni nosilec laserskega sistema in preciznih komponent, njen material neposredno vpliva na stabilnost in natančnost obdelave. Granit in lito železo, kot dva glavna osnovna materiala, se bistveno razlikujeta v značilnostih slabljenja natančnosti med ultrafino obdelavo na pikosekundni ravni. Ta članek bo podrobno analiziral prednosti in slabosti delovanja obeh, da bi zagotovil znanstveno podlago za nadgradnjo opreme.
Lastnosti materialov določajo osnovo natančnosti
Granit je v bistvu magmatska kamnina, ki je nastala v geoloških procesih v stotinah milijonov let. Njegova notranja kristalna struktura je gosta in enakomerna, z linearnim koeficientom raztezanja le 0,5–8 ×10⁻⁶/℃, kar je primerljivo s strukturo preciznih zlitin, kot je indijevo jeklo. Zaradi te lastnosti so njegove dimenzijske spremembe skoraj zanemarljive pri nihanju temperature okolice, s čimer se učinkovito izognemo optičnemu odmiku poti in mehanskim napakam, ki jih povzročata toplotno raztezanje in krčenje. Poleg tega je gostota granita visoka, saj znaša kar 2,6–2,8 g/cm³, kar pomeni odlično sposobnost absorpcije vibracij. Hitro lahko ublaži visokofrekvenčne vibracije, ki nastanejo med lasersko obdelavo, kar zagotavlja stabilnost optičnega sistema in gibljivih delov.
Litoželezne podlage se pogosto uporabljajo zaradi odličnih livarskih lastnosti in stroškovnih prednosti. Tipična grafitna struktura sive litine ji daje določeno lastnost dušenja, ki lahko absorbira približno 30 % do 50 % energije vibracij. Vendar pa je koeficient toplotnega raztezanja litega železa približno 10-12 ×10⁻⁶/℃, kar je 2-3-krat več kot pri granitu. Zaradi kopičenja toplote, ki nastane pri dolgotrajni neprekinjeni obdelavi, se lahko pojavijo dimenzijske deformacije. Hkrati se v livarski podlagi pojavljajo napetosti. Ko se napetosti sproščajo med uporabo, lahko povzročijo nepopravljive spremembe v ravnosti in pravokotnosti podlage.
Mehanizem preciznega slabljenja pri obdelavi na pikosekundni ravni
Pikosekundna laserska obdelava s svojimi ultra kratkimi impulznimi lastnostmi lahko doseže fino obdelavo na submikronski ali celo nanometrski ravni, vendar postavlja tudi stroge zahteve glede stabilnosti opreme. Granitna osnova s svojo stabilno notranjo strukturo lahko nadzoruje vibracijski odziv na submikronski ravni pod vplivom visokofrekvenčnega laserja in učinkovito ohranja natančnost pozicioniranja laserskega fokusa. Izmerjeni podatki kažejo, da laserski markirni stroj z granitno osnovo po 8-urni neprekinjeni pikosekundni obdelavi še vedno ohranja odstopanje širine črte znotraj ±0,5 μm.
Ko je litoželezna osnova izpostavljena visokofrekvenčnim vibracijam pikosekundnega laserja, se notranja zrnata struktura zaradi nenehnega udarca mikroskopsko utrudi, kar povzroči zmanjšanje togosti osnove. Podatki spremljanja nekega podjetja za proizvodnjo polprevodnikov kažejo, da po šestih mesecih delovanja stopnja slabljenja natančnosti obdelave opreme z litoželeznimi osnovami doseže 12 %, kar se kaže predvsem v povečanju hrapavosti robov linij in povečanju napak pri pozicioniranju. Hkrati je litoželezna osnova relativno občutljiva na vlažnost okolja. Dolgotrajna uporaba je nagnjena k rjavenju, kar še pospeši poslabšanje natančnosti.
Preverjanje razlik v delovanju v praktičnih aplikacijah
Na področju 3C obdelave elektronskih komponent z natančnostjo je znano podjetje izvedlo primerjalni test delovanja opreme dveh vrst materialnih podlag. V poskusu sta bila dva pikosekundna laserska označevalna stroja z enako konfiguracijo opremljena z granitnimi oziroma litoželeznimi podlagami za rezanje in označevanje stekla zaslonov mobilnih telefonov širine 0,1 mm. Po 200 urah neprekinjene obdelave je bila stopnja ohranitve natančnosti obdelave opreme z granitnimi podlagami 98,7 %, medtem ko je bila pri opremi z litoželeznimi podlagami le 86,3 %. Robovi stekla, obdelanega s slednjimi, so kazali očitne napake v obliki žagastih zob.
Pri izdelavi letalskih komponent dolgoročni podatki spremljanja določenega raziskovalnega inštituta bolj intuitivno odražajo razlike: laserski gravirni stroj z granitnim podnožjem ima kumulativno slabljenje natančnosti manjše od 3 μm v petletni življenjski dobi; vendar pa je po treh letih napaka obdelave opreme z litoželeznim podnožjem, ki jo povzroča deformacija podnožja, presegla procesni standard ±10 μm, zato je treba izvesti kalibracijo celotne natančnosti stroja.
Predlogi za odločitve o nadgradnji
Če podjetja kot svoje temeljne zahteve postavijo visoko natančnost in dolgo ciklično stabilno obdelavo, zlasti na področjih, kot so polprevodniški čipi in precizne optične komponente, so granitne podlage z izjemno toplotno stabilnostjo in odpornostjo na vibracije idealna izbira za nadgradnjo. Čeprav so začetni stroški nabave za 30 % do 50 % višji od stroškov litega železa, lahko z vidika stroškov celotnega življenjskega cikla zmanjšana pogostost natančne kalibracije in izpadov opreme zaradi vzdrževanja znatno povečajo splošne koristi. Za scenarije uporabe z relativno nizkimi zahtevami glede natančnosti obdelave in omejenim proračunom se lahko litoželezne podlage še vedno uporabljajo kot prehodna rešitev, pod predpostavko razumnega nadzora nad uporabniškim okoljem.
S sistematično primerjavo značilnosti preciznega slabljenja granita in litega železa pri obdelavi na pikosekundni ravni je mogoče videti, da je izbira ustreznega osnovnega materiala ključni korak za izboljšanje natančnosti obdelave in zanesljivosti laserskega označevalnega stroja. Podjetja bi morala glede na lastne tehnološke zahteve in stroškovne vidike sprejeti znanstvene odločitve o načrtu nadgradnje osnove, da bi zagotovila trdno osnovo opreme za vrhunsko proizvodnjo.
Čas objave: 22. maj 2025