V oblasti laserových značkovacích strojů na pikosekundové úrovni je přesnost klíčovým ukazatelem pro hodnocení výkonu zařízení. Základna, jakožto klíčový nosič laserového systému a přesných komponentů, a její materiál přímo ovlivňuje stabilitu a přesnost zpracování. Žula a litina, jako dva hlavní základní materiály, se významně liší v charakteristikách přesného útlumu během pikosekundového ultrajemného obrábění. Tento článek se bude podrobně zabývat výhodami a nevýhodami výkonu obou materiálů, aby poskytl vědecký základ pro modernizaci zařízení.
Vlastnosti materiálů určují základ přesnosti
Žula je v podstatě vyvřelá hornina, která vznikla geologickými procesy po stovky milionů let. Její vnitřní krystalová struktura je hustá a jednotná s koeficientem lineární roztažnosti pouhých 0,5–8 × 10⁻⁶/℃, což je srovnatelné s koeficientem přesných slitin, jako je indiová ocel. Tato vlastnost činí její rozměrovou změnu téměř zanedbatelnou při kolísání okolní teploty, čímž se účinně zabraňuje optickému posunu dráhy a mechanickým chybám způsobeným tepelnou roztažností a smršťováním. Kromě toho má žula hustotu až 2,6–2,8 g/cm³, což jí přirozeně umožňuje vynikající absorpci vibrací. Dokáže rychle tlumit vysokofrekvenční vibrace generované během laserového zpracování, čímž zajišťuje stabilitu optického systému a pohyblivých částí.
Litinové základny jsou široce používány díky svým vynikajícím licím vlastnostem a cenovým výhodám. Typická vločková grafitová struktura šedé litiny jí dává určitý tlumicí výkon, který dokáže absorbovat asi 30 % až 50 % vibrační energie. Koeficient tepelné roztažnosti litiny je však přibližně 10-12 × 10⁻⁶/℃, což je 2–3krát více než u žuly. V důsledku akumulace tepla generovaného dlouhodobým nepřetržitým zpracováním je náchylný k rozměrovým deformacím. Současně uvnitř litiny vzniká licí napětí. Jak se napětí uvolňuje během procesu používání, může to způsobit nevratné změny v rovinnosti a kolmosti základny.
Mechanismus přesného útlumu při zpracování na pikosekundové úrovni
Pikosekundové laserové zpracování s ultrakrátkými pulzy umožňuje jemné zpracování na submikronové nebo dokonce nanometrové úrovni, ale zároveň klade přísné požadavky na stabilitu zařízení. Žulová základna se svou stabilní vnitřní strukturou dokáže řídit vibrační odezvu na submikronové úrovni při vysokofrekvenčním laserovém dopadu a efektivně udržovat přesnost polohování laserového zaostření. Naměřená data ukazují, že laserový značkovací stroj s žulovou základnou si i po 8hodinovém nepřetržitém pikosekundovém zpracování stále udržuje odchylku šířky čáry v rozmezí ±0,5 μm.
Když je litinová základna vystavena vysokofrekvenčním vibracím pikosekundového laseru, vnitřní zrnitá struktura podléhá mikroskopické únavě v důsledku neustálého nárazu, což má za následek snížení tuhosti základny. Monitorovací data z jistého podniku vyrábějícího polovodiče ukazují, že po šesti měsících provozu dosáhla míra útlumu přesnosti zpracování u zařízení s litinovými základnami 12 %, což se projevilo především zvýšením drsnosti hran čar a rozšířením chyb polohování. Litina je zároveň relativně citlivá na vlhkost prostředí. Dlouhodobé používání je náchylná ke korozi, což dále urychluje zhoršení přesnosti.
Ověření rozdílů ve výkonu v praktických aplikacích
V oblasti přesného zpracování elektronických součástek metodou 3C provedl známý podnik srovnávací test výkonu zařízení se dvěma typy materiálových základen. V experimentu byly dva pikosekundové laserové značkovací stroje se stejnou konfigurací vybaveny žulovými a litinovými základnami pro řezání a značení skla obrazovek mobilních telefonů o šířce 0,1 mm. Po 200 hodinách nepřetržitého zpracování byla míra zachování přesnosti zpracování u zařízení s žulovou základnou 98,7 %, zatímco u zařízení s litinovou základnou to bylo pouze 86,3 %. Okraje skla opracovaného tímto zařízením vykazovaly zjevné vady ve tvaru pily.
Při výrobě leteckých komponentů dlouhodobá monitorovací data jistého výzkumného ústavu intuitivněji odrážejí rozdíly: Laserový značkovací stroj s žulovou základnou má kumulativní útlum přesnosti menší než 3 μm během pětileté životnosti; po třech letech však chyba zpracování zařízení s litinovou základnou způsobená deformací základny překročila procesní standard ±10 μm a je nutné provést kalibraci celkové přesnosti stroje.
Návrhy na rozhodnutí o upgradu
Pokud podniky kladou za své klíčové požadavky vysokou přesnost a dlouhodobou stabilitu zpracování, zejména v oblastech, jako jsou polovodičové čipy a přesné optické součástky, jsou žulové základny s vynikající tepelnou stabilitou a odolností proti vibracím ideální volbou pro modernizaci. Přestože jejich počáteční pořizovací náklady jsou o 30 % až 50 % vyšší než u litiny, z hlediska nákladů na celý životní cyklus může snížená frekvence přesné kalibrace a prostojů zařízení z důvodu údržby výrazně zvýšit celkové výhody. Pro aplikační scénáře s relativně nízkými požadavky na přesnost zpracování a omezeným rozpočtem lze litinové základny stále použít jako přechodné řešení za předpokladu rozumné kontroly prostředí použití.
Systematickým porovnáním charakteristik přesného útlumu žuly a litiny při zpracování na pikosekundové úrovni lze vidět, že výběr vhodného základního materiálu je klíčovým krokem ke zlepšení přesnosti zpracování a spolehlivosti laserového značkovacího stroje. Podniky by měly s ohledem na své vlastní technologické požadavky a nákladové aspekty činit vědecká rozhodnutí o plánu modernizace základny, aby poskytly solidní základ zařízení pro špičkovou výrobu.
Čas zveřejnění: 22. května 2025