Trong lĩnh vực máy khắc laser cấp pico giây, độ chính xác là chỉ số cốt lõi để đánh giá hiệu suất của thiết bị. Đế, là vật mang chính cho hệ thống laser và các thành phần chính xác, vật liệu của nó ảnh hưởng trực tiếp đến độ ổn định của độ chính xác gia công. Đá granit và gang, là hai vật liệu đế chính, có sự khác biệt đáng kể về đặc tính làm suy giảm độ chính xác trong quá trình gia công siêu mịn cấp 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 một loại đá mácma được hình thành thông qua các quá trình địa chất trong hàng trăm triệu năm. Cấu trúc tinh thể bên trong của nó dày đặc và đồng nhất, với hệ số giãn nở tuyến tính thấp tới 0,5-8 ×10⁻⁶/℃, tương đương với hệ số giãn nở tuyến tính của các hợp kim chính xác như thép indium. Đặc tính này làm cho sự thay đổi kích thước của nó gần như không đáng kể khi nhiệt độ môi trường dao động, tránh hiệu quả sự lệch đường quang và các lỗi cơ học do giãn nở và co lại vì nhiệt. Ngoài ra, mật độ của đá granit cao tới 2,6-2,8g / cm³, tự nhiên sở hữu khả năng hấp thụ rung động tuyệt vời. Nó có thể nhanh chóng làm giảm các rung động tần số cao phát sinh trong quá trình xử lý bằng laser, đảm bảo sự ổn định của hệ thống quang học và các bộ phận chuyển động.
Đế gang được sử dụng rộng rãi do hiệu suất đúc tuyệt vời và lợi thế về chi phí. Cấu trúc than chì vảy điển hình của gang xám mang lại cho nó hiệu suất giảm chấn nhất định, có thể hấp thụ khoảng 30% đến 50% năng lượng rung. 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 do quá trình gia công liên tục trong thời gian dài, dễ xảy ra biến dạng kích thước. Trong khi đó, có ứng suất đúc bên trong gang. 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 làm 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 xử lý tinh vi ở cấp độ dưới micron hoặc thậm chí cấp độ nanomet, nhưng nó cũng đặt ra các 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 có đế đá granit vẫn duy trì độ lệch chiều 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 picosecond, cấu trúc hạt bên trong sẽ bị mỏi vi mô do tác động liên tục, dẫn đến độ cứng của đế giảm. Dữ liệu giám sát từ một doanh nghiệp sản xuất chất bán dẫn nhất định 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 các cạnh đường tăng lên và lỗi định vị mở rộng. Trong khi đó, gang tương đối nhạy cảm với độ ẩm môi trường. Sử dụng lâu dài dễ bị rỉ sét, đẩy nhanh hơn nữa sự 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 picosecond có cùng cấu hình lần lượt được trang bị đế đá granit và gang để cắt và đánh dấu 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 thiết bị sau cho thấy các khuyết tật răng cưa rõ ràng.
Trong sản xuất các thành phần 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 năm năm sử dụng; Tuy nhiên, sau ba năm, lỗi xử lý của thiết bị đế gang do biến dạng đế đã vượt quá tiêu chuẩn quy trình là ±10μm và phải tiến hành hiệu chuẩn độ chính xác tổng thể của máy.
Gợi ý nâng cấp quyết định
Nếu các doanh nghiệp coi xử lý ổn định chu kỳ dài và độ chính xác cao là nhu cầu cốt lõi của mình, 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 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 chi phí vòng đời đầy đủ, tần suất hiệu chuẩn độ chính xác và thời gian ngừng hoạt động của thiết bị để bảo trì giảm có thể tăng đáng kể lợi ích chung. Đối với các tình huống ứng dụng có yêu cầu về độ chính xác xử lý tương đối thấp và ngân sách hạn chế, đế gang vẫn có thể được sử dụng làm 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 xử lý 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 quá trình xử lý của máy khắc laser. Các doanh nghiệp nên đưa ra quyết định khoa học về kế hoạch nâng cấp cơ sở dựa trên các yêu cầu công nghệ và cân nhắc về chi phí của riêng mình để cung cấp nền tảng thiết bị vững chắc cho sản xuất cao cấp.
Thời gian đăng: 22-05-2025