Inom området pikosekundnivålasermärkningsmaskiner är precision den viktigaste indikatorn för att utvärdera utrustningens prestanda. Basen, som en viktig bärare för lasersystemet och precisionskomponenterna, påverkar direkt bearbetningsnoggrannhetens stabilitet och material. Granit och gjutjärn, som två vanliga basmaterial, har betydande skillnader i precisionsdämpningsegenskaperna vid ultrafin bearbetning på pikosekundnivå. Denna artikel kommer att analysera prestandafördelarna och nackdelarna hos de två för att ge en vetenskaplig grund för uppgradering av utrustning.
Materialegenskaper avgör grunden för precision
Granit är i huvudsak en magmatisk bergart som bildats genom geologiska processer under hundratals miljoner år. Dess inre kristallstruktur är tät och enhetlig, med en linjär expansionskoefficient så låg som 0,5–8 × 10⁻⁶/℃, jämförbar med precisionslegeringar som indiumstål. Denna egenskap gör dess dimensionsförändring nästan försumbar när omgivningstemperaturen fluktuerar, vilket effektivt undviker optisk vägförskjutning och mekaniska fel orsakade av termisk expansion och kontraktion. Dessutom är granitens densitet så hög som 2,6–2,8 g/cm³, vilket naturligt har utmärkt vibrationsabsorptionsförmåga. Den kan snabbt dämpa de högfrekventa vibrationer som genereras under laserbearbetning, vilket säkerställer stabiliteten hos det optiska systemet och de rörliga delarna.
Gjutjärnsbaser används ofta på grund av deras utmärkta gjutprestanda och kostnadsfördelar. Den typiska flinggrafitstrukturen hos grått gjutjärn ger det en viss dämpningsprestanda, som kan absorbera cirka 30 % till 50 % av vibrationsenergin. Emellertid är värmeutvidgningskoefficienten för gjutjärn cirka 10-12 × 10⁻⁶/℃, vilket är 2-3 gånger högre än för granit. Vid ansamling av värme som genereras av långvarig kontinuerlig bearbetning är dimensionsdeformation benägen. Samtidigt uppstår gjutspänningar inuti gjutjärnet. När spänningen frigörs under användningsprocessen kan det orsaka irreversibla förändringar i basens planhet och vinkelräthet.
Precisionsdämpningsmekanismen i pikosekundnivåbearbetning
Pikosekundlaserbehandling, med sina ultrakorta pulsegenskaper, kan uppnå fin bearbetning på submikronnivå eller till och med nanometernivå, men det ställer också strikta krav på utrustningens stabilitet. Granitbasen, med sin stabila interna struktur, kan kontrollera vibrationsresponsen på submikronnivå under högfrekvent laserpåverkan, vilket effektivt bibehåller laserfokusens positioneringsnoggrannhet. Mätdata visar att lasermärkningsmaskinen med granitbas fortfarande bibehåller en linjebreddsavvikelse inom ±0,5 μm efter kontinuerlig 8 timmars pikosekundbehandling.
När gjutjärnsbasen utsätts för högfrekventa vibrationer från en pikosekundlaser, kommer den inre kornstrukturen att utsättas för mikroskopisk utmattning på grund av kontinuerlig påverkan, vilket resulterar i en minskning av basens styvhet. Övervakningsdata från ett visst halvledartillverkningsföretag visar att efter sex månaders drift når bearbetningsnoggrannheten för utrustning med gjutjärnsbaser 12 %, vilket främst manifesteras som en ökning av ojämnheterna i linjekanterna och en ökning av positioneringsfel. Samtidigt är gjutjärn relativt känsligt för miljöfuktighet. Långvarig användning är benägen att rosta, vilket ytterligare accelererar försämringen av precisionen.
Verifiering av prestandaskillnader i praktiska tillämpningar
Inom området för bearbetning av 3C-precisionskomponenter för elektronisk bearbetning genomförde ett välkänt företag ett jämförande test av utrustningens prestanda för två typer av materialbaser. I experimentet utrustades två pikosekundlasermärkningsmaskiner med samma konfiguration med granit- respektive gjutjärnsbaser för att skära och märka glaset på mobiltelefonskärmar med en bredd på 0,1 mm. Efter 200 timmars kontinuerlig bearbetning var bearbetningsnoggrannheten för granitbaserad utrustning 98,7 %, medan den för gjutjärnsbaserad utrustning endast var 86,3 %. Kanterna på det bearbetade glaset uppvisade tydliga sågtandsdefekter.
Vid tillverkning av flyg- och rymdkomponenter återspeglar de långsiktiga övervakningsdata från ett visst forskningsinstitut skillnaderna mer intuitivt: Lasermärkningsmaskinen med granitbas har en kumulativ precisionsdämpning på mindre än 3 μm inom en femårig livslängd; efter tre år har dock bearbetningsfelet hos gjutjärnsbasutrustningen orsakat av basens deformation överskridit processstandarden på ±10 μm, och den övergripande maskinnoggrannhetskalibreringen måste utföras.
Förslag för att uppgradera beslut
Om företag har hög precision och långtidsstabil bearbetning som sina kärnkrav, särskilt inom områden som halvledarchips och precisionsoptiska komponenter, är granitbaser, med sin enastående termiska stabilitet och vibrationstålighet, ett idealiskt uppgraderingsval. Även om den initiala anskaffningskostnaden är 30 % till 50 % högre än för gjutjärn, kan den minskade frekvensen av precisionskalibrering och utrustningens stilleståndstid för underhåll avsevärt öka de totala fördelarna, sett till den totala livscykelkostnaden. För tillämpningsscenarier med relativt låga krav på bearbetningsnoggrannhet och begränsade budgetar kan gjutjärnsbaser fortfarande användas som en övergångslösning under förutsättningen att man rimligen kan kontrollera användningsmiljön.
Genom att systematiskt jämföra precisionsdämpningsegenskaperna hos granit och gjutjärn vid pikosekundbearbetning kan man se att valet av lämpligt basmaterial är ett viktigt steg för att förbättra lasermärkningsmaskinens bearbetningsnoggrannhet och tillförlitlighet. Företag bör, mot bakgrund av sina egna tekniska krav och kostnadsöverväganden, fatta vetenskapliga beslut om basuppgraderingsplanen för att skapa en solid utrustningsgrund för avancerad tillverkning.
Publiceringstid: 22 maj 2025