V oblasti ultra{0}}presnej metrológie, kde sa merania bežne vykonávajú v sub-mikrometrových a dokonca nanometrových mierkach, sa výber materiálu povrchovej dosky stáva jedným z najdôležitejších technických rozhodnutí. Vlastnosti materiálu priamo ovplyvňujú presnosť merania,-dlhodobú stabilitu, požiadavky na údržbu a v konečnom dôsledku spoľahlivosť operácií rozmerovej metrológie. Od tradičnej žuly až po pokročilú sklenenú-keramiku, ako je Zerodur®, každý materiál ponúka odlišné výhody a obmedzenia, ktoré musia byť starostlivo prispôsobené špecifickým požiadavkám aplikácie a podmienkam prostredia.
Základy výkonu presnej povrchovej dosky
Mimoriadne{0}}presné meranie si vyžaduje povrchy, ktoré zachovávajú rozmerovú integritu v celom rade prevádzkových podmienok. Ideálny materiál povrchovej dosky musí vykazovať výnimočnú tepelnú stabilitu, aby sa minimalizovala expanzia a kontrakcia s teplotnými výkyvmi, vysokú tvrdosť a odolnosť proti opotrebeniu, aby sa zachovala rovinnosť počas rokov nepretržitého používania, vynikajúce vlastnosti na tlmenie vibrácií na izoláciu meracích operácií od okolitého strojového rušenia a odolnosť proti korózii, aby sa zachovala kvalita povrchu v rôznych podmienkach prostredia. Tieto základné vlastnosti určujú nielen počiatočnú dosiahnuteľnú presnosť, ale aj dlhodobú-stabilitu, ktorá znižuje intervaly kalibrácie a náklady na údržbu.
Požiadavky na presnosť v modernej výrobe sa v rôznych odvetviach dramaticky zintenzívnili. Výroba polovodičov teraz funguje v nanometrových mierkach, komponenty leteckých turbín vyžadujú sub-mikrónovú presnosť polohy a zarovnanie optického systému vyžaduje referenčné povrchy stabilné v rámci zlomkov vlnovej dĺžky svetla. Tieto aplikácie prinútili odborníkov v oblasti metrológie skúmať materiály nad rámec tradičných možností, pričom hľadajú stále-vyššiu rozmerovú stabilitu a odolnosť voči životnému prostrediu. Výber materiálu sa stal natoľko kritickým, že priamo ovplyvňuje celý rozpočet neistôt operácií presného merania, pričom často predstavuje jediný najväčší príspevok k chybe merania v nesprávne zvolených systémoch.
Žula: Priemyselný štandard pre presnú metrológiu
Žula sa etablovala ako dominantný materiál pre presné povrchové dosky a to zo závažných dôvodov. S koeficientom tepelnej rozťažnosti približne 5,6 × 10⁻⁶/stupeň -zhruba polovičný v porovnaní s liatinou- si žula zachováva rozmerovú stabilitu výrazne lepšie ako kovové alternatívy v typických výrobných prostrediach. Táto nižšia tepelná citlivosť znamená, že kolísanie teploty bežné vo výrobných zariadeniach spôsobuje podstatne menší rozmerový drift, čo priamo zlepšuje spoľahlivosť merania a skracuje čas potrebný na aklimatizáciu teploty.
Prirodzená kryštalická štruktúra žuly poskytuje výnimočné vlastnosti tlmenia vibrácií. Husté minerálne zloženie absorbuje a rozptyľuje mechanickú energiu oveľa efektívnejšie ako kovové konštrukcie, čím sa znižuje vplyv okolitých vibrácií strojov na citlivé meracie operácie. Nezávislé testovanie v dielňach na presné obrábanie preukázalo až 40% zníženie amplitúdy vibrácií na žulových povrchoch v porovnaní s ekvivalentnými liatinovými konštrukciami. Táto schopnosť tlmenia je obzvlášť cenná v zariadeniach, kde musia v blízkosti výrobných strojov pracovať súradnicové meracie stroje a iné citlivé kontrolné zariadenia.
Tvrdosť žuly, ktorá sa zvyčajne meria medzi 70 a 80 na stupnici Shore D, poskytuje vynikajúcu odolnosť proti opotrebovaniu. Pri správnom lapovaní si žulové povrchy zachovávajú svoju pôvodnú rovinnosť po celé roky každodenného používania. Na rozdiel od liatiny, ktorá môže pri náraze vytvárať vysoké miesta, žula má tendenciu lokálne sa štiepiť. Tento poruchový režim je v skutočnosti výhodný pre metrologické aplikácie, pretože lokálne odštiepenie nevytvára kompenzačné deformácie, ktoré ničia celkovú rovinnosť, čo umožňuje, aby platňa zostala použiteľná aj pri malom poškodení. Ne-magnetická a nevodivá povaha žuly ešte viac rozširuje jej využitie, vďaka čomu je vhodná na meracie operácie zahŕňajúce magnetické upínadlá alebo citlivé elektronické súčiastky.
Vysoká-kvalitažulové povrchové doskysú vyrábané v štyroch štandardných stupňoch presnosti definovaných federálnou špecifikáciou ASTM E1181 a medzinárodnou normou ISO 8512-2. Laboratórne platne AA poskytujú najvyššiu presnosť s toleranciami rovinnosti až 25 mikropalcov (0,635 mikrometrov pre platňu 1000 mm × 750 mm. Presné platne triedy A, vhodné pre väčšinu aplikácií v inšpekčných miestnostiach, zachovávajú tolerancie približne dvojnásobné v porovnaní s laboratórnou triedou. Platne triedy B na všeobecné použitie slúžia na bežné použitie v dielni, v dielňach a v nástrojárňach poskytujú potrebné doštičky pre náradia C. použitie Tento systém triedenia umožňuje používateľom prispôsobiť presnosť dosky špecifickým požiadavkám aplikácie, čím sa optimalizujú náklady a výkon.
Liatina: Tradičný pracant
Liatina slúžila ako primárny materiál pre presné povrchové dosky počas veľkej časti 20. storočia a stále ponúka výhody v špecifických aplikáciách. Správne -odstránená liatina môže byť ručne- škrabaná na extrémne vysoké štandardy rovinnosti, čím sa dosiahne kontaktné body presahujúce 25 na 25 mm štvorcových, čím sa získa charakteristický vzor, ktorý definuje presné metrologické povrchy. Vysoká tuhosť materiálu ho robí vhodným pre aplikácie s vysokým zaťažením, kde je rozhodujúce významné rozloženie hmotnosti a štrukturálna tuhosť, a jeho opracovateľnosť umožňuje integráciu T-drážok, V{8}}drážok a iných prvkov upevnenia priamo do konštrukcie dosky.
Grafitová mikroštruktúra vlastná liatine poskytuje dobré prirodzené mazacie vlastnosti, ktoré môžu byť prospešné v určitých aplikáciách, a materiál môže byť počas svojej životnosti niekoľkokrát zoškrabaný a renovovaný. Táto obnoviteľnosť predstavuje významnú ekonomickú výhodu, ktorá umožňuje obnovu liatinových platní na pôvodné presné špecifikácie desaťročia po počiatočnej výrobe.
Liatina však čelí značným obmedzeniam v moderných presných aplikáciách. Jeho koeficient tepelnej rozťažnosti približne 11 × 10⁻⁶/stupeň je zhruba dvojnásobný v porovnaní so žulou, vďaka čomu je dvakrát citlivejšia na zmeny teploty. Táto citlivosť si vyžaduje prísne environmentálne kontroly, aby sa zachovala porovnateľná presnosť. Materiál je tiež prirodzene náchylný na hrdzavenie a oxidáciu, čo si vyžaduje neustálu údržbu vrátane pravidelného olejovania a ochrany pred vlhkosťou. Pri náraze sa liatina skôr deformuje ako triesky, čím vznikajú vysoké body, ktoré sa šíria po povrchu a ohrozujú presnosť merania. Tieto obmedzenia viedli k vytesneniu zo všeobecnej presnej metrológie, aj keď zostáva cenná v špecializovaných kalibračných laboratórnych hlavných povrchoch, kde sa používa ručné škrabanie a špecifické špeciálne aplikácie.
Pokročilé možnosti keramiky a skla-
Pre najnáročnejšie ultra{0}}presné aplikácie, najmä vo výrobe polovodičov, leteckej metrológii a optickom vyrovnávaní, sa ako vynikajúce riešenia ukázali pokročilé keramické a sklenené-keramické materiály, ktoré ponúkajú výkonové charakteristiky, ktorým sa tradičné možnosti nevyrovnajú.
Zerodur®, lítium-aluminosilikátová sklo-keramika vyvinutá spoločnosťou Schott AG, predstavuje vrchol tepelnej stability dostupnej v komerčných materiáloch povrchových dosiek. S takmer -nulovým koeficientom tepelnej rozťažnosti 0 ± 0,007 × 10⁻⁶/K v teplotnom rozsahu 0 až 50 stupňov si Zerodur zachováva rozmerovú stabilitu rádovo lepšie ako ktorýkoľvek iný materiál. Táto mimoriadna tepelná stabilita z neho robí materiál voľby pre aplikácie, kde by dokonca aj zmeny rozmerov nanometrových{10}}rozmerov narušili integritu merania.
Pôvodne vyvinutý pre teleskopické zrkadlové substráty-používané v astronomických observatóriách vrátane Keckových teleskopov a Európskeho extrémne veľkého teleskopu{1}}Zerodur našiel kritické metrologické aplikácie v polovodičových litografických strojoch, prstencových laserových gyroskopoch pre inerciálne navigačné systémy a referenčných štandardoch súradnicových meracích strojov. Vysoká 3D homogenita materiálu s minimálnymi inklúziami, bublinami a vnútornými pruhmi zaisťuje jednotnú rozmerovú konzistenciu na celom povrchu platne, čím poskytuje referenčnú konzistenciu potrebnú na najvyššej úrovni presnosti.
Tavený oxid kremičitý ponúka ďalšiu-výkonnú možnosť s koeficientom tepelnej rozťažnosti približne 0,55 × 10⁻⁶/stupeň, čo je ešte rádovo lepšie ako žula. Tento amorfný kremičitý materiál poskytuje vynikajúce optické vlastnosti a bežne sa vyrába do optických plôšok používaných na overenie interferometrickej rovinnosti prostredníctvom meraní v nanometrovom -svetlom-pásme. Optické plôšky vyrobené z taveného oxidu kremičitého dosahujú špecifikácie plochosti s presnosťou λ/20, približne 31,64 nanometrov od vrcholu -do-odchýlky od údolia pri vlnovej dĺžke héliového-neónového lasera. Tieto ultra{13}}ploché povrchy slúžia ako primárne referenčné štandardy pre kalibráciu kalibračných blokov a kontrolu polovodičových plátkov.
Keramika z oxidu hlinitého s vysokou{0}}čistotou a podobnými materiálovými vlastnosťami ponúkajú ďalšie výhody pre špecifické metrologické aplikácie vrátane výnimočnej odolnosti proti opotrebeniu a chemickej inertnosti prevyšujúcej dokonca aj žulu. Tieto pokročilé keramické materiály predstavujú schopnosť udržiavať integritu povrchu chemicky agresívneho prostredia, kde by tradičné materiály degradovali, vďaka čomu sú obzvlášť vhodné pre aplikácie v čistých priestoroch vo výrobe polovodičov a v zariadeniach na výrobu zdravotníckych pomôcok.
Sklo a alternatívne materiály
Sklenené povrchové dosky ponúkajú ľahké alternatívne aplikácie vyžadujúce odolnosť proti korózii, hoci ich krehkosť obmedzuje priemyselné prostredie. Zatiaľ čo sklo môže brúsiť extrémne plochú rovinnosť porovnateľnú s nižšími stupňami presnosti žuly a triesok, skôr zvyšuje vysoké miesta charakteristické poškodenie nárazom. Materiál má nižšie tlmenie vibrácií a odolnosť v porovnaní so žulou, vďaka čomu je vhodný predovšetkým pre ľahké meracie úlohy pre hobby použitie v dielňach priemyselné použitie.
Hliníkové platne ponúkajú ľahkú prenosnú možnosť dočasného rozloženia, ktoré vyžadujú najvyššie požiadavky na presnosť, nie sú dosiahnuté. Zatiaľ čo hliník poskytuje aplikácie na presné meranie rovinnosti. Možnosti kompozitných materiálov kombinujúci materiály rôzne materiály rôzne požiadavky na vlastnosti.
Rámec výberu materiálu
Proces výberu optimálneho materiálu povrchovej dosky vyžaduje systematické hodnotenie viacerých faktorov, počnúc základnými požiadavkami na presnosť. Laboratóriá vykonávajúce merania v nanometrovej mierke vyžadujúce prostredie s kontrolovanou teplotou budú pravdepodobne vyžadovať tavený oxid kremičitý Zerodur, ktorý poskytuje bezkonkurenčnú tepelnú stabilitu. Všeobecné kontrolné aplikácie s-mikrometrovou presnosťou zvyčajne špecifikujú laboratórnu-granitovú žulu, ktorá poskytuje vynikajúce vlastnosti a stabilitu presnosti. Ťažké obrábanie a merania podláh vo výrobe vo všeobecnosti špecifikujú žulu triedy A, ktorá poskytuje trvanlivosť a vyváženie výkonových charakteristík.
Ďalším kritickým hľadiskom sú podmienky prostredia. Zariadenia pracujúce bez prísnej kontroly teploty budú najviac ťažiť z materiálov s najnižším koeficientom tepelnej rozťažnosti, vďaka čomu je žula jednoznačne lepšia ako liatina. Vlhké, chemicky agresívne prostredia vyžadujú žulové keramické materiály odolné voči korózii, pričom liatina sa zohľadňuje. Prostredia čistých priestorov si vyžadujú-neuvoľňujúce materiály, žulové keramické sklo, všetky možnosti spĺňajú požiadavky.
Pri rozhodovaní o výbere musia byť zohľadnené aj požiadavky na zaťaženie a fyzické modely používania. Aplikácie na kontrolu ťažkých dielov vyžadujú materiály s vysokou štrukturálnou tuhosťou žulovej keramiky. Aplikácie vyžadujúce časté premiestňovanie budú mať prospech z ľahších materiálov, hoci táto úvaha je zvyčajne v rozpore s požiadavkami na presnosť vo všeobecnosti uprednostňujú ťažšie a stabilnejšie materiály. Na výber má vplyv aj predpokladaný rozpočet údržby na životnosť. Žula poskytuje najlepšiu celkovú hodnotu dlhodobo-presných aplikácií s požiadavkami na údržbu najnižšími nákladmi počas životnosti napriek vyšším počiatočným investíciám.
Budúcnosť ultra{0}}presných povrchových materiálov
Evolúcia výrobnej technológie pokračuje v posúvaní hraníc dosiahnuteľnej presnosti vytvára požiadavky na stále náročnejšie vlastnosti materiálu. Keď sa výroba polovodičov posúva smerom k 2nm 1nm procesným uzlom, metrologické požiadavky budú referenčné štandardy, ktoré udržujú rozmerovú stabilitu v rámci zlomkov nanometrovej stupnice, len zvýšia intenzitu. Tento trend podnieti zavádzanie pokročilých keramických-keramických materiálov do bežných aplikácií presnej metrológie, ktoré predtým dominovali tradičnej žule.
Materiáloví vedci neustále vyvíjajú kompozitné inžinierske materiály ponúkajúce kombinácie vlastností nedostupných tradičných možností. Kompozity s nanoštruktúrovanou keramickou matricou, ktoré kombinujú pokročilú keramiku s tepelnou stabilitou so zlepšenou lomovou húževnatosťou približujúcu sa k štrukturálnej tuhosti kovovým materiálom sľubujú ďalšiu generáciu materiálov povrchových dosiek, ktoré ponúkajú bezprecedentné kombinačné vlastnosti. Tieto pokročilé materiály pravdepodobne nájdu aplikácie vyžadujúce rozmerovú stálosť a mechanickú trvanlivosť, pričom extrémne podmienky prostredia umožnia nové možnosti operácií presnej metrológie.
Záver
Výber najlepšieho materiálu povrchovej dosky na ultra{0}}presné meranie predstavuje strategické rozhodnutie, ktoré si vyžaduje starostlivé vyváženie požiadaviek na výkon, podmienky prostredia, prevádzkové obmedzenia, rozpočet. Žula zostáva najpraktickejšou cenovo-najefektívnejšou voľbou pre veľkú väčšinu aplikácií v presnej metrológii a ponúka neprekonateľnú kombináciu tepelnej stability, tlmenia vibrácií, odolnosti proti opotrebeniu, odolnosti proti korózii-dlhodobú životnosť. Liatina naďalej slúži špecifickým aplikáciám, kde má ručná škrabateľnosť špecifické výhody.
Najnáročnejšie ultra{0}}presné aplikácie, najmä polovodičová letecká optická metrológia, čoraz viac využívajú pokročilé keramické sklo-keramické materiály Zerodur tavený oxid kremičitý. Tieto materiály ponúkajú tepelnú stabilitu rozmerovej konzistencie bezkonkurenčné tradičné materiály, čo umožňuje merania v nanometrových mierkach, ktoré sa predtým považovali za nemožné v praktických priemyselných prostrediach. V konečnom dôsledku optimálny výber materiálu závisí od starostlivého prispôsobenia sa požiadavkám aplikácie vlastnosti materiálu, ktoré zaisťujú, že zvolená povrchová doska poskytuje základom potrebnú stabilitu presnosti potrebnú na zachovanie špecifických metrologických operácií. Vzhľadom na to, že výrobná technológia neustále smeruje k-vyšším požiadavkám na presnosť, dôležitosť výberu vhodného materiálu povrchovej dosky bude len rásť ako kritický základ, na ktorom sa spoliehajú všetky operácie merania rozmerov.