V oblasti laserových značkovacích strojov na pikosekundovej úrovni je presnosť hlavným ukazovateľom pre hodnotenie výkonu zariadenia. Základňa, ako kľúčový nosič pre laserový systém a presné komponenty, a jej materiál priamo ovplyvňuje stabilitu a presnosť spracovania. Žula a liatina, ako dva hlavné základné materiály, sa výrazne líšia v charakteristikách presného útlmu počas pikosekundového ultrajemného spracovania. Tento článok hlbšie analyzuje výhody a nevýhody týchto dvoch materiálov, aby poskytol vedecký základ pre modernizáciu zariadení.
Vlastnosti materiálu určujú základ presnosti
Žula je v podstate vyvretá hornina, ktorá vznikla geologickými procesmi počas stoviek miliónov rokov. Jej vnútorná kryštalická štruktúra je hustá a rovnomerná s koeficientom lineárnej rozťažnosti len 0,5 – 8 × 10⁻⁶/℃, čo je porovnateľné s koeficientom presných zliatin, ako je indiová oceľ. Táto vlastnosť robí jej rozmerovú zmenu takmer zanedbateľnou pri kolísaní okolitej teploty, čím sa účinne zabráni optickému posunu dráhy a mechanickým chybám spôsobeným tepelnou rozťažnosťou a kontrakciou. Okrem toho je hustota žuly až 2,6 – 2,8 g/cm³, čo prirodzene zabezpečuje vynikajúcu schopnosť absorbovať vibrácie. Dokáže rýchlo tlmiť vysokofrekvenčné vibrácie generované počas laserového spracovania, čím zabezpečuje stabilitu optického systému a pohyblivých častí.
Liatinové základne sa široko používajú vďaka svojmu vynikajúcemu výkonu pri odlievaní a cenovým výhodám. Typická štruktúra lupienkového grafitu sivej liatiny jej poskytuje určitý tlmiaci výkon, ktorý dokáže absorbovať približne 30 % až 50 % vibračnej energie. Koeficient tepelnej rozťažnosti liatiny je však približne 10-12 × 10⁻⁶/℃, čo je 2 – 3-krát viac ako u žuly. Pri akumulácii tepla generovaného dlhodobým nepretržitým spracovaním je náchylný k rozmerovým deformáciám. Zároveň vo vnútri liatiny vzniká odlievacie napätie. Keď sa napätie uvoľňuje počas procesu používania, môže to spôsobiť nezvratné zmeny v rovinnosti a kolmosti základne.
Mechanizmus presného útlmu pri spracovaní na úrovni pikosekund
Pikosekundové laserové spracovanie s charakteristikami ultra krátkych impulzov dokáže dosiahnuť jemné spracovanie na submikrónovej alebo dokonca nanometrovej úrovni, ale zároveň kladie prísne požiadavky na stabilitu zariadenia. Žulová základňa so svojou stabilnou vnútornou štruktúrou dokáže kontrolovať vibračnú odozvu na submikrónovej úrovni pri vysokofrekvenčnom laserovom dopade, čím efektívne udržiava presnosť polohovania laserového zaostrenia. Namerané údaje ukazujú, že laserový značkovací stroj s žulovou základňou si po nepretržitom 8-hodinovom pikosekundovom spracovaní stále udržiava odchýlku šírky čiary v rozmedzí ±0,5 μm.
Keď je liatinová základňa vystavená vysokofrekvenčným vibráciám pikosekundového laseru, vnútorná štruktúra zŕn prechádza mikroskopickou únavou v dôsledku neustáleho nárazu, čo vedie k zníženiu tuhosti základne. Monitorovacie údaje z určitého podniku na výrobu polovodičov ukazujú, že po šiestich mesiacoch prevádzky dosiahla miera útlmu presnosti spracovania zariadení s liatinovými základňami 12 %, čo sa prejavuje najmä zvýšením drsnosti hrán čiar a rozšírením chýb polohovania. Liatina je zároveň relatívne citlivá na vlhkosť prostredia. Dlhodobé používanie je náchylné na hrdzavenie, čo ďalej urýchľuje zhoršenie presnosti.
Overenie rozdielov vo výkone v praktických aplikáciách
V oblasti presného spracovania elektronických súčiastok 3C vykonal známy podnik porovnávací test výkonu zariadení s dvoma typmi materiálových základov. V experimente boli dva pikosekundové laserové značkovacie stroje s rovnakou konfiguráciou vybavené žulovými a liatinovými základňami na rezanie a označovanie skla obrazoviek mobilných telefónov so šírkou 0,1 mm. Po 200 hodinách nepretržitého spracovania bola miera zachovania presnosti spracovania zariadenia s žulovou základňou 98,7 %, zatiaľ čo zariadenie s liatinovou základňou bolo iba 86,3 %. Okraje skla spracovaného liatinovou základňou vykazovali zjavné pílovité chyby.
Pri výrobe leteckých komponentov dlhodobé monitorovacie údaje určitého výskumného ústavu intuitívnejšie odrážajú rozdiely: Laserový značkovací stroj s žulovou základňou má kumulatívny útlm presnosti menší ako 3 μm počas päťročnej životnosti; Avšak po troch rokoch chyba spracovania zariadenia s liatinovou základňou spôsobená deformáciou základne prekročila procesný štandard ± 10 μm a je potrebné vykonať kalibráciu celkovej presnosti stroja.
Návrhy na rozhodnutia o aktualizácii
Ak podniky považujú za svoje základné požiadavky vysokú presnosť a dlhodobú stabilitu pri spracovaní, najmä v oblastiach, ako sú polovodičové čipy a presné optické súčiastky, žulové podstavce s ich vynikajúcou tepelnou stabilitou a odolnosťou voči vibráciám sú ideálnou voľbou pre modernizáciu. Hoci ich počiatočné obstarávacie náklady sú o 30 % až 50 % vyššie ako pri liatine, z hľadiska nákladov na celý životný cyklus môže znížená frekvencia presnej kalibrácie a prestojov zariadenia na údržbu výrazne zvýšiť celkové výhody. V aplikačných scenároch s relatívne nízkymi požiadavkami na presnosť spracovania a obmedzeným rozpočtom sa liatinové podstavce stále môžu použiť ako prechodné riešenie za predpokladu primeranej kontroly prostredia používania.
Systematickým porovnaním charakteristík presného útlmu žuly a liatiny pri spracovaní na pikosekundovej úrovni je zrejmé, že výber vhodného základného materiálu je kľúčovým krokom k zlepšeniu presnosti spracovania a spoľahlivosti laserového značkovacieho stroja. Podniky by mali vzhľadom na svoje vlastné technologické požiadavky a nákladové aspekty robiť vedecké rozhodnutia o pláne modernizácie základne, aby poskytli solídny základ pre špičkovú výrobu.
Čas uverejnenia: 22. mája 2025