No campo de máquinas de marcação a laser de picossegundos, a precisão é o principal indicador para avaliar o desempenho do equipamento. A base, como suporte essencial para o sistema laser e componentes de precisão, tem seu material diretamente afetado pela estabilidade da precisão do processamento. Granito e ferro fundido, como dois materiais de base comuns, apresentam diferenças significativas nas características de atenuação de precisão durante o processamento ultrafino de picossegundos. Este artigo analisará profundamente as vantagens e desvantagens de desempenho dos dois para fornecer uma base científica para a atualização do equipamento.
As propriedades do material determinam a base da precisão
O granito é essencialmente uma rocha ígnea formada por processos geológicos ao longo de centenas de milhões de anos. Sua estrutura cristalina interna é densa e uniforme, com um coeficiente de expansão linear de apenas 0,5-8 ×10⁻⁶/°C, comparável ao de ligas de precisão como o aço índio. Essa característica torna sua variação dimensional quase insignificante quando a temperatura ambiente flutua, evitando efetivamente o desvio do caminho óptico e erros mecânicos causados por expansão e contração térmicas. Além disso, a densidade do granito é de até 2,6-2,8 g/cm³, o que naturalmente possui excelente capacidade de absorção de vibrações. Ele pode atenuar rapidamente as vibrações de alta frequência geradas durante o processamento a laser, garantindo a estabilidade do sistema óptico e das partes móveis.
Bases de ferro fundido são amplamente utilizadas devido ao seu excelente desempenho de fundição e às vantagens de custo. A estrutura típica de grafite em flocos do ferro fundido cinzento confere-lhe um certo desempenho de amortecimento, podendo absorver cerca de 30% a 50% da energia de vibração. No entanto, o coeficiente de expansão térmica do ferro fundido é de aproximadamente 10-12 ×10⁻⁶/°C, o que é 2 a 3 vezes maior que o do granito. Sob o acúmulo de calor gerado pelo processamento contínuo de longo prazo, a deformação dimensional é propensa a ocorrer. Enquanto isso, há tensão de fundição dentro do ferro fundido. À medida que a tensão é liberada durante o processo de uso, pode causar alterações irreversíveis na planura e perpendicularidade da base.
O mecanismo de atenuação de precisão no processamento de nível de picossegundos
O processamento a laser de picossegundos, com suas características de pulso ultracurto, permite um processamento preciso em níveis submicrométricos ou mesmo nanométricos, mas também impõe requisitos rigorosos para a estabilidade do equipamento. A base de granito, com sua estrutura interna estável, pode controlar a resposta de vibração em níveis submicrométricos sob impacto de laser de alta frequência, mantendo efetivamente a precisão de posicionamento do foco do laser. Os dados medidos mostram que a máquina de marcação a laser com base de granito ainda mantém um desvio de largura de linha dentro de ±0,5 μm após um processamento contínuo de picossegundos de 8 horas.
Quando a base de ferro fundido é exposta à vibração de alta frequência do laser de picossegundos, a estrutura interna do grão sofre fadiga microscópica devido ao impacto contínuo, resultando em uma diminuição da rigidez da base. Dados de monitoramento de uma determinada empresa fabricante de semicondutores mostram que, após seis meses de operação, a taxa de atenuação da precisão de processamento de equipamentos com bases de ferro fundido chega a 12%, manifestada principalmente pelo aumento da rugosidade das bordas das linhas e pela expansão dos erros de posicionamento. Além disso, o ferro fundido é relativamente sensível à umidade ambiente. O uso prolongado é propenso à ferrugem, acelerando ainda mais a deterioração da precisão.
Verificação de diferenças de desempenho em aplicações práticas
Na área de processamento de componentes eletrônicos de precisão 3C, uma empresa renomada realizou um teste comparativo de desempenho de equipamentos com dois tipos de bases de materiais. No experimento, duas máquinas de marcação a laser de picossegundos com a mesma configuração foram equipadas, respectivamente, com bases de granito e ferro fundido, para cortar e marcar o vidro de telas de celulares com largura de 0,1 mm. Após 200 horas de processamento contínuo, a taxa de retenção da precisão de processamento do equipamento com base de granito foi de 98,7%, enquanto a do equipamento com base de ferro fundido foi de apenas 86,3%. As bordas do vidro processado por este último apresentaram defeitos evidentes em formato de dente de serra.
Na fabricação de componentes aeroespaciais, os dados de monitoramento de longo prazo de um determinado instituto de pesquisa refletem as diferenças de forma mais intuitiva: a máquina de marcação a laser com base de granito tem uma atenuação de precisão cumulativa de menos de 3 μm em uma vida útil de cinco anos; no entanto, após três anos, o erro de processamento do equipamento de base de ferro fundido causado pela deformação da base excedeu o padrão de processo de ± 10 μm, e a calibração geral da precisão da máquina precisa ser realizada.
Sugestões para decisões de atualização
Se as empresas consideram o processamento estável de alta precisão e ciclo longo como suas principais demandas, especialmente em áreas como chips semicondutores e componentes ópticos de precisão, as bases de granito, com sua excelente estabilidade térmica e resistência à vibração, são uma opção de atualização ideal. Embora seu custo inicial de aquisição seja de 30% a 50% maior que o do ferro fundido, considerando o custo do ciclo de vida completo, a frequência reduzida de calibração de precisão e o tempo de inatividade do equipamento para manutenção podem aumentar significativamente os benefícios gerais. Para cenários de aplicação com requisitos de precisão de processamento relativamente baixos e orçamentos limitados, as bases de ferro fundido ainda podem ser usadas como uma solução transitória, sob a premissa de controlar razoavelmente o ambiente de uso.
Comparando sistematicamente as características de atenuação de precisão do granito e do ferro fundido no processamento em picossegundos, pode-se observar que a escolha do material base apropriado é um passo fundamental para melhorar a precisão do processamento e a confiabilidade da máquina de marcação a laser. As empresas devem, considerando seus próprios requisitos tecnológicos e considerações de custo, tomar decisões científicas sobre o plano de atualização da base para fornecer uma base sólida de equipamentos para a fabricação de ponta.
Data de publicação: 22 de maio de 2025