Trong lĩnh vực máy khắc laser pico giây, độ chính xác là chỉ số cốt lõi để đánh giá hiệu suất của thiết bị. Đế máy, là vật liệu chủ chốt cho hệ thống laser và các linh kiện chính xác, ảnh hưởng trực tiếp đến độ ổn định và độ chính xác gia công. Đá granit và gang, là hai vật liệu đế máy chủ đạo, có sự khác biệt đáng kể về đặc tính suy giảm độ chính xác trong quá trình gia công siêu mịn pico giây. Bài viết này sẽ phân tích sâu về ưu điểm và nhược điểm hiệu suất của hai vật liệu này để cung cấp cơ sở khoa học cho việc nâng cấp thiết bị.
Tính chất vật liệu quyết định cơ sở của độ chính xác
Đá granit về cơ bản là đá macma được hình thành qua các quá trình địa chất kéo dài hàng trăm triệu năm. Cấu trúc tinh thể bên trong của nó đặc và đồng nhất, với hệ số giãn nở tuyến tính thấp chỉ 0,5-8 ×10⁻⁶/℃, tương đương với hệ số giãn nở tuyến tính của các hợp kim chính xác như thép indi. Đặc tính này khiến sự thay đổi kích thước của nó gần như không đáng kể khi nhiệt độ môi trường dao động, giúp tránh hiệu quả hiện tượng lệch đường truyền quang học và sai số cơ học do giãn nở và co lại vì nhiệt. Ngoài ra, mật độ của đá granit cao tới 2,6-2,8g/cm³, vốn có khả năng hấp thụ rung động tuyệt vời. Nó có thể nhanh chóng làm suy yếu các rung động tần số cao phát sinh trong quá trình gia công laser, đảm bảo sự ổn định của hệ thống quang học và các bộ phận chuyển động.
Đế gang được sử dụng rộng rãi nhờ hiệu suất đúc tuyệt vời và lợi thế về chi phí. Cấu trúc than chì vảy điển hình của gang xám mang lại hiệu suất giảm chấn nhất định, có thể hấp thụ khoảng 30% đến 50% năng lượng rung động. Tuy nhiên, hệ số giãn nở nhiệt của gang xấp xỉ 10-12 ×10⁻⁶/℃, gấp 2-3 lần so với đá granit. Dưới sự tích tụ nhiệt sinh ra trong quá trình gia công liên tục trong thời gian dài, dễ xảy ra biến dạng kích thước. Đồng thời, bên trong gang tồn tại ứng suất đúc. Khi ứng suất được giải phóng trong quá trình sử dụng, nó có thể gây ra những thay đổi không thể đảo ngược về độ phẳng và độ vuông góc của đế.
Cơ chế suy giảm độ chính xác trong xử lý ở cấp độ pico giây
Xử lý laser pico giây, với đặc tính xung cực ngắn, có thể đạt được độ chính xác ở cấp độ dưới micron hoặc thậm chí nanomet, nhưng nó cũng đặt ra những yêu cầu nghiêm ngặt về độ ổn định của thiết bị. Đế đá granit, với cấu trúc bên trong ổn định, có thể kiểm soát phản ứng rung động ở cấp độ dưới micron dưới tác động của laser tần số cao, duy trì hiệu quả độ chính xác định vị của tiêu điểm laser. Dữ liệu đo được cho thấy máy khắc laser với đế đá granit vẫn duy trì độ lệch độ rộng đường trong phạm vi ±0,5μm sau khi xử lý pico giây liên tục trong 8 giờ.
Khi đế gang tiếp xúc với rung động tần số cao của laser pico giây, cấu trúc hạt bên trong sẽ bị mỏi vi mô do va đập liên tục, dẫn đến độ cứng của đế giảm. Dữ liệu giám sát từ một doanh nghiệp sản xuất chất bán dẫn cho thấy sau sáu tháng hoạt động, tỷ lệ suy giảm độ chính xác gia công của thiết bị có đế gang đạt 12%, chủ yếu biểu hiện ở độ nhám của cạnh đường tăng lên và sai số định vị mở rộng. Đồng thời, gang tương đối nhạy cảm với độ ẩm môi trường. Sử dụng lâu dài dễ bị gỉ sét, làm tăng tốc độ suy giảm độ chính xác.
Xác minh sự khác biệt về hiệu suất trong các ứng dụng thực tế
Trong lĩnh vực gia công linh kiện điện tử chính xác 3C, một doanh nghiệp nổi tiếng đã tiến hành thử nghiệm so sánh hiệu suất thiết bị của hai loại đế vật liệu. Trong thí nghiệm, hai máy khắc laser pico giây có cùng cấu hình được trang bị đế đá granit và đế gang để cắt và khắc kính màn hình điện thoại di động có chiều rộng 0,1mm. Sau 200 giờ gia công liên tục, tỷ lệ duy trì độ chính xác gia công của thiết bị đế đá granit là 98,7%, trong khi thiết bị đế gang chỉ đạt 86,3%. Các cạnh của kính được gia công bằng đế gang cho thấy khuyết tật răng cưa rõ ràng.
Trong quá trình sản xuất linh kiện hàng không vũ trụ, dữ liệu giám sát dài hạn của một viện nghiên cứu nhất định phản ánh trực quan hơn sự khác biệt: Máy khắc laser có đế đá granit có độ suy giảm độ chính xác tích lũy dưới 3μm trong vòng đời sử dụng năm năm; Tuy nhiên, sau ba năm, sai số gia công của thiết bị đế gang do biến dạng đế đã vượt quá tiêu chuẩn quy trình ±10μm, và cần phải hiệu chuẩn độ chính xác tổng thể của máy.
Gợi ý nâng cấp quyết định
Nếu các doanh nghiệp coi trọng nhu cầu cốt lõi về gia công chính xác cao và ổn định chu kỳ dài, đặc biệt là trong các lĩnh vực như chip bán dẫn và linh kiện quang học chính xác, thì đế đá granit, với độ ổn định nhiệt và khả năng chống rung vượt trội, là một lựa chọn nâng cấp lý tưởng. Mặc dù chi phí mua sắm ban đầu cao hơn từ 30% đến 50% so với gang, nhưng xét về tổng chi phí vòng đời, tần suất hiệu chuẩn độ chính xác và thời gian ngừng hoạt động của thiết bị để bảo trì thấp hơn có thể cải thiện đáng kể lợi ích tổng thể. Đối với các ứng dụng có yêu cầu độ chính xác gia công tương đối thấp và ngân sách hạn chế, đế đá granit vẫn có thể được sử dụng như một giải pháp chuyển tiếp với điều kiện kiểm soát hợp lý môi trường sử dụng.
Bằng cách so sánh một cách có hệ thống các đặc tính suy giảm độ chính xác của đá granit và gang trong quá trình gia công ở cấp độ pico giây, có thể thấy rằng việc lựa chọn vật liệu nền phù hợp là một bước quan trọng để cải thiện độ chính xác và độ tin cậy của máy khắc laser. Các doanh nghiệp nên, dựa trên yêu cầu công nghệ và cân nhắc chi phí của mình, đưa ra quyết định khoa học về kế hoạch nâng cấp nền tảng để cung cấp nền tảng thiết bị vững chắc cho sản xuất cao cấp.
Thời gian đăng: 22-05-2025