В галузі лазерного маркування пікосекундного рівня точність є основним показником для оцінки продуктивності обладнання. Основа, як ключовий носій для лазерної системи та прецизійних компонентів, та її матеріал безпосередньо впливають на стабільність точності обробки. Граніт та чавун, як два основні базові матеріали, мають суттєві відмінності в характеристиках прецизійного ослаблення під час надтонкої обробки пікосекундного рівня. У цій статті буде глибоко проаналізовано переваги та недоліки продуктивності цих двох матеріалів, щоб забезпечити наукову основу для модернізації обладнання.
Властивості матеріалів визначають основу точності
Граніт — це, по суті, магматична порода, що утворилася в результаті геологічних процесів протягом сотень мільйонів років. Його внутрішня кристалічна структура щільна та однорідна, з коефіцієнтом лінійного розширення всього 0,5-8 ×10⁻⁶/℃, що можна порівняти з коефіцієнтом прецизійних сплавів, таких як індієва сталь. Ця характеристика робить зміну його розмірів майже незначною при коливаннях температури навколишнього середовища, ефективно уникаючи зміщення оптичного шляху та механічних помилок, спричинених тепловим розширенням та стисненням. Крім того, щільність граніту сягає 2,6-2,8 г/см³, що природно має чудову здатність поглинати вібрації. Він може швидко послаблювати високочастотні коливання, що виникають під час лазерної обробки, забезпечуючи стабільність оптичної системи та рухомих частин.
Чавунні основи широко використовуються завдяки чудовим ливарним характеристикам та перевагам у вартості. Типова структура лускатого графіту сірого чавуну надає йому певних демпфуючих властивостей, які можуть поглинати приблизно від 30% до 50% енергії вібрації. Однак коефіцієнт теплового розширення чавуну становить приблизно 10-12 ×10⁻⁶/℃, що в 2-3 рази більше, ніж у граніту. Під час накопичення тепла, що утворюється внаслідок тривалої безперервної обробки, схильні до розмірної деформації. Тим часом усередині чавуну виникають ливарні напруги. Оскільки напруга вивільняється під час використання, це може спричинити незворотні зміни площинності та перпендикулярності основи.
Механізм прецизійного ослаблення в обробці на пікосекундному рівні
Пікосекундна лазерна обробка, завдяки своїм характеристикам надкоротких імпульсів, може досягати високої обробки на субмікронному або навіть нанометровому рівні, але вона також висуває суворі вимоги до стабільності обладнання. Гранітна основа, завдяки своїй стабільній внутрішній структурі, може контролювати вібраційну реакцію на субмікронному рівні під впливом високочастотного лазера, ефективно підтримуючи точність позиціонування лазерного фокуса. Виміряні дані показують, що лазерна маркувальна машина з гранітною основою все ще підтримує відхилення ширини лінії в межах ±0,5 мкм після безперервної 8-годинної пікосекундної обробки.
Коли чавунна основа піддається впливу високочастотної вібрації пікосекундного лазера, внутрішня зерниста структура зазнає мікроскопічної втоми через постійний вплив, що призводить до зниження жорсткості основи. Дані моніторингу, отримані на одному підприємстві з виробництва напівпровідників, показують, що після шести місяців експлуатації коефіцієнт зниження точності обробки обладнання з чавунними основами досягає 12%, що головним чином проявляється у збільшенні шорсткості крайок ліній та розширенні похибок позиціонування. Тим часом чавун відносно чутливий до вологості навколишнього середовища. Тривале використання схильне до іржі, що ще більше прискорює погіршення точності.
Перевірка відмінностей у продуктивності на практиці
У галузі прецизійної обробки електронних компонентів 3C відоме підприємство провело порівняльне випробування продуктивності обладнання з двома типами матеріальних основ. В експерименті два пікосекундні лазерні маркувальні машини однакової конфігурації були оснащені відповідно гранітною та чавунною основами для різання та маркування скла екранів мобільних телефонів шириною 0,1 мм. Після 200 годин безперервної обробки коефіцієнт збереження точності обробки обладнання з гранітною основою становив 98,7%, тоді як обладнання з чавунною основою – лише 86,3%. Краї скла, обробленого останнім, мали очевидні пилкоподібні дефекти.
У виробництві аерокосмічних компонентів дані довгострокового моніторингу певного дослідницького інституту більш інтуїтивно відображають відмінності: лазерна маркувальна машина з гранітною основою має кумулятивне ослаблення точності менше 3 мкм протягом п'ятирічного терміну служби; Однак, після трьох років похибка обробки обладнання з чавунною основою, спричинена деформацією основи, перевищила стандарт процесу ±10 мкм, і необхідно провести загальне калібрування точності машини.
Пропозиції щодо рішень щодо оновлення
Якщо підприємства вважають високоточну та довготривалу стабільну обробку своїми основними вимогами, особливо в таких галузях, як напівпровідникові мікросхеми та прецизійні оптичні компоненти, гранітні основи, завдяки своїй видатній термостабільності та вібростійкості, є ідеальним вибором для модернізації. Хоча початкова вартість придбання на 30-50% вища, ніж у чавунних, з точки зору повної вартості життєвого циклу, зменшення частоти точного калібрування та простою обладнання для технічного обслуговування може значно підвищити загальні переваги. Для сценаріїв застосування з відносно низькими вимогами до точності обробки та обмеженим бюджетом чавунні основи все ще можна використовувати як перехідне рішення за умови розумного контролю середовища використання.
Систематично порівнюючи характеристики прецизійного затухання граніту та чавуну при пікосекундній обробці, можна побачити, що вибір відповідного базового матеріалу є ключовим кроком для підвищення точності обробки та надійності лазерної маркувальної машини. Підприємства повинні, з огляду на власні технологічні вимоги та вартісні міркування, приймати наукові рішення щодо плану модернізації бази, щоб забезпечити міцну основу обладнання для високоякісного виробництва.
Час публікації: 22 травня 2025 р.