Op het gebied van lasermarkeermachines met picoseconde-niveau is precisie de belangrijkste indicator voor het evalueren van de prestaties van de apparatuur. De basis, als belangrijke drager voor het lasersysteem en de precisiecomponenten, heeft een directe invloed op de stabiliteit van de verwerkingsnauwkeurigheid. Graniet en gietijzer, twee veelgebruikte basismaterialen, vertonen aanzienlijke verschillen in de dempingskarakteristieken voor precisie tijdens ultrafijne bewerking met picoseconde-niveau. Dit artikel analyseert de voor- en nadelen van beide diepgaand om een wetenschappelijke basis te bieden voor het upgraden van apparatuur.
Materiaaleigenschappen bepalen de basis van precisie
Graniet is in wezen een stollingsgesteente dat is gevormd door geologische processen gedurende honderden miljoenen jaren. De interne kristalstructuur is dicht en uniform, met een lineaire uitzettingscoëfficiënt van slechts 0,5-8 × 10⁻⁶/℃, vergelijkbaar met die van precisielegeringen zoals indiumstaal. Deze eigenschap maakt de maatverandering vrijwel verwaarloosbaar bij schommelingen in de omgevingstemperatuur, waardoor optische padverschuivingen en mechanische fouten veroorzaakt door thermische uitzetting en krimp effectief worden vermeden. Bovendien is de dichtheid van graniet maar liefst 2,6-2,8 g/cm³, wat van nature een uitstekend trillingsabsorptievermogen bezit. Het kan de hoogfrequente trillingen die tijdens laserbewerking worden gegenereerd snel dempen, waardoor de stabiliteit van het optische systeem en de bewegende onderdelen wordt gewaarborgd.
Gietijzeren voetstukken worden veel gebruikt vanwege hun uitstekende gietprestaties en kostenvoordelen. De typische lamelgrafietstructuur van grijs gietijzer zorgt voor een bepaalde demping, waardoor ongeveer 30% tot 50% van de trillingsenergie kan worden geabsorbeerd. De thermische uitzettingscoëfficiënt van gietijzer is echter ongeveer 10-12 × 10⁻⁶/℃, wat 2-3 keer zo hoog is als die van graniet. Door de warmteaccumulatie die ontstaat bij langdurige continue verwerking, kan er maatvervorming optreden. Tegelijkertijd ontstaat er gietspanning in het gietijzer. Als deze spanning tijdens het gebruik vrijkomt, kan dit onomkeerbare veranderingen in de vlakheid en loodrechtheid van het voetstuk veroorzaken.
Het precisie-dempingsmechanisme bij picoseconde-verwerking
Picoseconde laserbewerking, met zijn ultrakorte pulskarakteristieken, kan een fijne verwerking op submicronniveau of zelfs nanometerniveau bereiken, maar stelt ook hoge eisen aan de stabiliteit van de apparatuur. De granieten basis, met zijn stabiele interne structuur, kan de trillingsrespons op submicronniveau onder invloed van een hoogfrequente laser controleren, waardoor de positioneringsnauwkeurigheid van de laserfocus effectief behouden blijft. De meetgegevens tonen aan dat de lasermarkeermachine met granieten basis na 8 uur continue picosecondebewerking nog steeds een lijnbreedteafwijking van ±0,5 μm handhaaft.
Wanneer de gietijzeren basis wordt blootgesteld aan de hoogfrequente trillingen van een picosecondelaser, zal de interne korrelstructuur microscopische vermoeidheid ondergaan door continue impact, wat resulteert in een afname van de stijfheid van de basis. Monitoringgegevens van een bepaald halfgeleiderproductiebedrijf tonen aan dat na zes maanden gebruik de afname van de verwerkingsnauwkeurigheid van apparatuur met gietijzeren basis 12% bedraagt, wat zich voornamelijk manifesteert in een toename van de ruwheid van de lijnranden en een toename van positioneringsfouten. Gietijzer is daarentegen relatief gevoelig voor luchtvochtigheid. Langdurig gebruik is vatbaar voor roest, wat de verslechtering van de nauwkeurigheid verder versnelt.
Verificatie van prestatieverschillen in praktische toepassingen
Op het gebied van de verwerking van 3C elektronische precisiecomponenten voerde een gerenommeerd bedrijf een vergelijkende test uit naar de prestaties van twee soorten materiaaldragers. In het experiment werden twee picosecondelasermarkeermachines met dezelfde configuratie uitgerust met respectievelijk granieten en gietijzeren basissen om het glas van mobiele telefoonschermen met een breedte van 0,1 mm te snijden en te markeren. Na 200 uur continu verwerken bedroeg de retentiegraad van de verwerkingsnauwkeurigheid van de granieten basisapparatuur 98,7%, terwijl die van de gietijzeren basisapparatuur slechts 86,3% bedroeg. De randen van het glas dat met de laatstgenoemde werd bewerkt, vertoonden duidelijke zaagtanddefecten.
Bij de productie van componenten voor de lucht- en ruimtevaart weerspiegelen de gegevens van langetermijnbewaking van een bepaald onderzoeksinstituut intuïtiever de verschillen: de lasermarkeermachine met een granieten basis heeft een cumulatieve nauwkeurigheidsdemping van minder dan 3 μm binnen een levensduur van vijf jaar; echter, na drie jaar heeft de verwerkingsfout van de gietijzeren basisapparatuur, veroorzaakt door de vervorming van de basis, de procesnorm van ± 10 μm overschreden en moet de algehele nauwkeurigheidskalibratie van de machine worden uitgevoerd.
Suggesties voor het nemen van upgradebeslissingen
Als bedrijven hoge precisie en stabiele verwerking met lange cycli als hun kernvereisten beschouwen, met name in sectoren zoals halfgeleiderchips en optische precisiecomponenten, zijn granieten bases, met hun uitstekende thermische stabiliteit en trillingsbestendigheid, een ideale upgradekeuze. Hoewel de initiële aanschafkosten 30% tot 50% hoger liggen dan die van gietijzer, kunnen de lagere frequentie van precisiekalibratie en de lagere uitvaltijd van apparatuur voor onderhoud, vanuit het perspectief van de volledige levenscycluskosten, de algehele voordelen aanzienlijk vergroten. Voor toepassingsscenario's met relatief lage vereisten voor verwerkingsnauwkeurigheid en beperkte budgetten kunnen gietijzeren bases nog steeds worden gebruikt als een overgangsoplossing, mits de gebruiksomgeving redelijk wordt beheerst.
Door de precisiedempingskarakteristieken van graniet en gietijzer bij picosecondeverwerking systematisch te vergelijken, blijkt dat de keuze van het juiste basismateriaal een belangrijke stap is om de verwerkingsnauwkeurigheid en betrouwbaarheid van de lasermarkeermachine te verbeteren. Bedrijven zouden, rekening houdend met hun eigen technologische vereisten en kostenoverwegingen, wetenschappelijke beslissingen moeten nemen over het upgradeplan voor de basis om een solide basis te creëren voor hoogwaardige productie.
Geplaatst op: 22 mei 2025