Ultra-tiksliosios metrologijos srityje, kur matavimai reguliariai atliekami sub-mikronų ir net nanometrų skalėje, paviršiaus plokštės medžiagos pasirinkimas tampa vienu iš svarbiausių inžinerinių sprendimų. Medžiagos savybės tiesiogiai įtakoja matavimo tikslumą, ilgalaikį stabilumą, priežiūros reikalavimus ir galiausiai matmenų metrologijos operacijų patikimumą. Nuo tradicinio granito iki pažangios stiklo{5}keramikos, pvz., Zerodur®, kiekviena medžiaga turi ryškių pranašumų ir apribojimų, kuriuos reikia kruopščiai pritaikyti prie konkrečių naudojimo reikalavimų ir aplinkos sąlygų.
Tikslaus paviršiaus plokštės veikimo pagrindai
Itin-tiksliam matavimui reikalingi paviršiai, išlaikantys matmenų vientisumą įvairiomis veikimo sąlygomis. Ideali paviršiaus plokštės medžiaga turi pasižymėti išskirtiniu terminiu stabilumu, kad būtų sumažintas plėtimasis ir susitraukimas dėl temperatūros svyravimų, didelis kietumas ir atsparumas dilimui, kad būtų išlaikytas plokštumas per ilgus nepertraukiamo naudojimo metus, puikios vibracijos slopinimo savybės, kad matavimo operacijos būtų atskirtos nuo aplinkinių mašinų trikdžių, ir atsparumas korozijai, kad būtų išlaikyta paviršiaus kokybė įvairiomis aplinkos sąlygomis. Šios pagrindinės savybės lemia ne tik pradinį pasiekiamą tikslumą, bet ir ilgalaikį stabilumą, kuris sumažina kalibravimo intervalus ir priežiūros išlaidas.
Šiuolaikinės gamybos tikslumo reikalavimai smarkiai sustiprėjo visose pramonės šakose. Puslaidininkių gamyba dabar veikia nanometrų skalėje, aviacijos ir erdvėlaivių turbinų komponentams reikalingas mažesnis-mikronų padėties tikslumas, o optinei sistemai suderinti reikia etaloninių paviršių, stabilių šviesos bangos ilgio dalimis. Šios programos paskatino metrologijos profesionalus tyrinėti medžiagas, kurios nėra tradicinės galimybės, siekiant vis-didesnio matmenų stabilumo ir atsparumo aplinkai. Medžiagos pasirinkimas tapo toks svarbus, kad jis tiesiogiai įtakoja visą tikslumo matavimo operacijų neapibrėžtumo biudžetą, o tai dažnai yra didžiausias indėlis į matavimo paklaidą netinkamai parinktose sistemose.
Granitas: Tiksliosios metrologijos pramonės standartas
Granitas įsitvirtino kaip dominuojanti medžiaga tikslioms paviršiaus plokštėms ir dėl įtikinamų priežasčių. Apytiksliai 5,6 × 10⁻⁶/laipsnio šiluminio plėtimosi koeficientas -maždaug perpus mažesnis nei ketaus-granitas išlaiko matmenų stabilumą daug geriau nei metalinės alternatyvos įprastose gamybos sąlygose. Šis mažesnis šiluminis jautrumas reiškia, kad temperatūros svyravimai, įprasti gamybos patalpose, sukelia žymiai mažesnį matmenų poslinkį, tiesiogiai pagerindami matavimo patikimumą ir sumažindami laiką, reikalingą temperatūros aklimatizacijai.
Natūrali kristalinė granito struktūra suteikia išskirtines vibracijos slopinimo savybes. Tanki mineralinė kompozicija sugeria ir išsklaido mechaninę energiją daug efektyviau nei metalinės konstrukcijos, sumažindama aplinkinių mašinų vibracijos poveikį jautrioms matavimo operacijoms. Nepriklausomi bandymai tiksliųjų mašinų dirbtuvėse parodė, kad granito paviršių vibracijos amplitudė sumažėjo iki 40%, palyginti su lygiavertėmis ketaus konstrukcijomis. Ši slopinimo galimybė yra ypač vertinga patalpose, kuriose koordinačių matavimo mašinos ir kita jautri tikrinimo įranga turi veikti šalia gamybos mašinų.
Granito kietumas, paprastai nuo 70 iki 80 pagal Shore D skalę, užtikrina puikų atsparumą dilimui. Tinkamai padengti granito paviršiai išlaiko savo pirmines lygumo specifikacijas kasdieniniam naudojimui daugelį metų. Skirtingai nuo ketaus, dėl kurio smūgio metu gali susidaryti aukštų dėmių, granitas linkęs vietoje skilinėti. Šis gedimo režimas iš tikrųjų yra naudingas metrologijos programoms, nes vietinis skaldymas nesukuria kompensuojamųjų iškraipymų, kurie sugadina bendrą plokštumą, todėl plokštė gali išlikti tinkama naudoti net ir esant nedideliam pažeidimui. Ne-magnetinis ir nelaidus granito pobūdis dar labiau padidina jo naudingumą, todėl jis tinkamas matavimo operacijoms, susijusioms su magnetiniais įtaisais arba jautriais elektroniniais komponentais.
Aukšta{0}}kokybėgranito paviršiaus plokštėsyra gaminami keturiais standartiniais tikslumo laipsniais, apibrėžtais federalinėje specifikacijoje ASTM E1181 ir tarptautiniame standarte ISO 8512-2. Laboratorinės klasės AA plokštės užtikrina didžiausią tikslumą, o plokštumo leistini nuokrypiai yra net 25 mikrocoliai (0,635 mikrometrai 1000 mm × 750 mm plokštėms. A klasės tikslios klasės plokštės, tinkamos daugeliui tikrinimo patalpų, išlaiko leistinus nuokrypius maždaug du kartus didesnius nei laboratorijos klasės, o B klasės bendrosios paskirties grindų plokštės yra skirtos laboratorinėms patalpoms tikslumas, reikalingas išdėstymui ir bendram naudojimui dirbtuvėse. Ši klasifikavimo sistema leidžia vartotojams suderinti plokščių tikslumą su specifiniais taikymo reikalavimais, optimizuojant išlaidas ir našumą.
Ketaus: tradicinis darbinis arklys
Didžiąją XX amžiaus dalį ketus buvo pagrindinė tiksliųjų paviršiaus plokščių medžiaga ir vis dar turi pranašumų tam tikrose srityse. Tinkamai sumažintą įtempį-ketaus galima nugramdyti ranka-, kad atitiktų itin aukštus plokštumo standartus, kad sąlyčio taškai viršytų 25 25 mm kvadratui, o tai suteikia būdingą raštą, nusakantį tiksliuosius metrologinius paviršius. Medžiaga dėl didelio tvirtumo leidžia naudoti didelę apkrovą, kur svarbus svorio pasiskirstymas ir konstrukcijos tvirtumas, o jos apdirbimas leidžia integruoti T-griovelius, V-griovelius ir kitas tvirtinimo detales tiesiai į plokštės konstrukciją.
Grafito mikrostruktūra, būdinga ketui, užtikrina geras natūralaus tepimo savybes, kurios gali būti naudingos tam tikrais atvejais, o medžiagą galima kelis kartus perbraukti ir atnaujinti per visą jos naudojimo laiką. Šis atkuriamumas yra reikšmingas ekonominis pranašumas, leidžiantis ketaus plokštes atnaujinti iki originalių tikslumo specifikacijų praėjus dešimtmečiams po pradinės pagaminimo.
Tačiau šiuolaikiškuose tikslumo įrenginiuose ketaus susiduria su dideliais apribojimais. Jo šiluminio plėtimosi koeficientas, maždaug 11 × 10⁻⁶/laipsnis, yra maždaug dvigubai didesnis nei granito, todėl jis dvigubai jautresnis temperatūros pokyčiams. Šis jautrumas reikalauja griežtos aplinkos kontrolės, kad būtų išlaikytas panašus tikslumas. Medžiaga taip pat yra linkusi rūdyti ir oksiduotis, todėl ją reikia nuolat prižiūrėti, įskaitant reguliarų tepimą alyva ir apsaugą nuo drėgmės. Smūgio metu ketaus deformuojasi, o ne drožlės, todėl susidaro aukštos dėmės, kurios sklinda per paviršių ir kenkia matavimo tikslumui. Dėl šių apribojimų buvo pakeista bendroji tikslioji metrologija, tačiau ji išlieka vertinga specializuotose kalibravimo laboratorijos pagrindiniuose paviršiuose, kuriuose naudojamas rankinis grandymas ir specifinės nišos.
Išplėstinės keramikos ir stiklo{0}}keramikos parinktys
Reikalingiausiose itin{0}}tikslumo programose, ypač puslaidininkių gamyboje, aviacijos ir kosmoso metrologijos ir optinio derinimo srityse, pažangios keramikos ir stiklo{1}}keraminės medžiagos pasirodė kaip geresni sprendimai, kurių veikimo charakteristikos neprilygsta tradiciniams variantams.
Schott AG sukurta ličio -aliumosilikatinio stiklo-keramika Zerodur® yra terminio stabilumo viršūnė, prieinama komercinėse paviršiaus plokščių medžiagose. Turėdamas beveik nulinį šiluminio plėtimosi koeficientą 0 ± 0,007 × 10⁻⁶/K temperatūrų diapazone nuo 0 iki 50 laipsnių, „Zerodur“ išlaiko matmenų stabilumą dydžiu geriau nei bet kuri kita medžiaga. Dėl šio nepaprasto šiluminio stabilumo ji yra tinkamiausia medžiaga tais atvejais, kai net nanometro{10}masto matmenų pokyčiai pakenktų matavimo vientisumui.
Iš pradžių sukurtas teleskopinių veidrodžių substratams,{0}}naudojamiems astronomijos observatorijose, įskaitant Keck teleskopus ir Europos ypač didelį teleskopą{1}}Zerodur rado svarbių metrologijos pritaikymų puslaidininkinėse litografijos mašinose, žiediniuose lazeriniuose giroskopuose, skirtuose inercinėms navigacijos sistemoms, ir koordinačių etaloninių standartų matavimo mašinoms. Medžiagos aukštas 3D homogeniškumas su minimaliais inkliuzais, burbuliukais ir vidinėmis juostelėmis užtikrina vienodą matmenų nuoseklumą visame plokštės paviršiuje, užtikrinant etaloninę konsistenciją, reikalingą aukščiausiu tikslumo lygiu.
Lydytas silicio dioksidas siūlo dar vieną didelio{0}}našumo variantą, kurio šiluminio plėtimosi koeficientas yra apytiksliai 0,55 × 10⁻⁶/laipsnis, o tai vis tiek yra eilės tvarka geresnis nei granitas. Ši amorfinė silicio dioksido medžiaga pasižymi puikiomis optinėmis savybėmis ir dažniausiai gaminama į optinius plokščius, naudojamus interferometriniam plokštumui tikrinti naudojant nanometro{4}}skalės šviesos{5}}matavimus. Optinės plokščios plokštės, pagamintos iš lydyto silicio dioksido, pasiekia plokštumo specifikacijas, tokias kaip λ/20, maždaug 31,64 nanometro nuokrypis nuo didžiausio-slėnio iki{10}}slėnio esant helio{11}}neoninio lazerio bangos ilgiui. Šie itin plokšti paviršiai naudojami kaip pagrindiniai matavimo bloko kalibravimo ir puslaidininkių plokštelių tikrinimo standartai.
Didelio-grynumo aliuminio oksido keramika, panašios medžiagos savybės suteikia papildomų pranašumų konkrečioms metrologijos reikmėms, įskaitant išskirtinį atsparumą dilimui ir cheminį inertiškumą, viršijantį net granitą. Šios pažangios keraminės medžiagos suteikia galimybę išlaikyti paviršiaus vientisumą chemiškai agresyvioje aplinkoje, kur tradicinės medžiagos suirtų, todėl jos ypač tinka naudoti švariose patalpose puslaidininkių gamybos ir medicinos prietaisų gamybos įrenginiuose.
Stiklas ir alternatyvios medžiagos
Stiklo paviršiaus plokštės siūlo lengvus alternatyvius pritaikymus, kuriems reikalingas atsparumas korozijai, nors jų trapumas riboja pramoninę aplinką. Nors stiklas gali šlifuoti ypač plokščią plokštumą, palyginti su žemesnio tikslumo granito ir drožlių rūšimis, o tai padidina aukštas dėmes, būdingus smūgio pažeidimus. Medžiaga mažesnė vibracijos slopinimo ir ilgaamžiškumo, palyginti su granito gaminant pirmiausia tinka šviesos matavimo užduotis mėgėjams pritaikyti parduotuvių grindų pramoniniam naudojimui.
Aliuminio plokštės siūlo lengvą nešiojamąjį variantą. Laikinos išdėstymo programos, reikalaujančios aukščiausių tikslumo reikalavimų, nėra pasiekiamos. Nors aliuminis užtikrina tinkamą plokštumo matavimo tikslumą. Kompozicinių medžiagų variantai, derinant medžiagas skirtingas medžiagas, skirtingų savybių reikalavimai.
Medžiagų atrankos sistema
Optimalios paviršiaus plokštės medžiagos parinkimo procesas reikalauja sistemingo daugelio veiksnių įvertinimo, pradedant nuo esminių tikslumo reikalavimų. Laboratorijoms, atliekančioms nanometrų skalės matavimus, kuriems reikalinga temperatūra kontroliuojama aplinka, greičiausiai reikės Zerodur lydyto silicio dioksido, kuris užtikrina neprilygstamą šiluminį stabilumą. Bendrosios tikrinimo programos, kurių tikslumas yra mažesnis{2}} mikronų, paprastai nurodo laboratorinės-klasės granitą, užtikrinantį puikų savybių tikslumo stabilumą. Sunkiojo apdirbimo ir gamybos grindų matavimai paprastai nurodo A klasės granitą, užtikrinantį ilgaamžiškumą ir efektyvumo balanso charakteristikas.
Kitas svarbus veiksnys yra aplinkos sąlygos. Įrenginiams, veikiantiems be griežtos temperatūros kontrolės, daugiausia naudos turės medžiagos, kurių šiluminio plėtimosi koeficientai yra mažiausi, todėl granitas yra akivaizdžiai pranašesnis už ketaus. Drėgnai chemiškai agresyviai aplinkai reikalingos korozijai atsparios granitinės keramikos medžiagos, todėl ketaus nereikia apsvarstyti. Švarioms patalpoms reikalingos ne-išskiriančios dujos, granito keramikos stiklo variantai atitinka reikalavimus.
Apkrovos reikalavimai ir fizinio naudojimo modeliai taip pat turi atsižvelgti į pasirinkimo sprendimus. Sunkiųjų dalių tikrinimui reikalingos medžiagos, pasižyminčios dideliu konstrukciniu tvirtumu, granito keramikos variantų. Taikomoms programoms, kurioms reikia dažnai keisti padėtį, bus naudingos lengvesnės medžiagos, nors tai paprastai prieštarauja tikslumo reikalavimams, paprastai teikia pirmenybę sunkesnėms ir stabilesnėms medžiagoms. Pasirinkimui įtakos turi ir numatomas eksploatacijos trukmės priežiūros biudžetas. Granitas užtikrina geriausią bendrą ilgalaikę-tiksliųjų programų techninės priežiūros reikalavimus, mažiausias eksploatavimo išlaidas, nepaisant didesnių pradinių investicijų.
Ultra{0}}tikslių paviršiaus plokščių medžiagų ateitis
Evoliucijos gamybos technologija ir toliau stumia ribas, pasiekiamas tikslumas sukuria vis reiklesnes medžiagų savybes. Kadangi puslaidininkių gamyba pereina prie 2 nm 1 nm proceso mazgų, metrologijos reikalavimai bus grindžiami standartais, išlaikant matmenų stabilumą nanometrų skalės dalimis, tik padidins intensyvumą. Ši tendencija paskatins pažangių stiklo keramikos{4}}keraminių medžiagų naudojimą tiksliosios metrologijos srityse, kuriose anksčiau dominavo tradicinis granitas.
Medžiagų mokslininkai nuolat kuria kompozicines inžinerines medžiagas, siūlančias derinius, neprieinamas tradicines galimybes. Nanostruktūrinės keraminės matricos kompozitai, derinantys termiškai stabilią pažangią keramiką ir patobulintą atsparumą lūžiams, struktūrinis tvirtumas artėja prie metalinių medžiagų, žada naujos kartos paviršiaus plokščių medžiagas, pasižyminčias precedento neturinčiomis kombinuotomis savybėmis. Šioms pažangioms medžiagoms greičiausiai bus pritaikytas pritaikymas, kuriam reikalingas matmenų stabilumas, mechaninis patvarumas, tuo pat metu ekstremalios aplinkos sąlygos suteiks naujų galimybių atlikti tikslias metrologijos operacijas.
Išvada
Pasirinkus geriausią paviršiaus plokštės medžiagą ultra{0}}tiksliam matavimui, reikia priimti strateginį sprendimą, kurį reikia kruopščiai subalansuoti našumo reikalavimus, aplinkos sąlygas, veiklos apribojimus, atsižvelgiant į biudžetą. Granitas išlieka praktiškiausiu ekonomiškai{2}}naudingiausiu pasirinkimu daugumoje tikslios metrologijos programų, siūlantis neprilygstamą derinį, šiluminį stabilumą, vibraciją slopinantį, atsparumą dilimui ir atsparumą korozijai, ilgalaikį{3}}patvarumą. Ketaus ir toliau tarnauja tam tikroms nišinėms reikmėms, kur atkuriamumas rankomis turi specifinių pranašumų.
Reikalingiausios itin{0}}tikslumo programos, ypač puslaidininkių aviacijos ir kosmoso optinė metrologija, vis labiau naudingos pažangioms stiklo keramikos{1}}keraminėms medžiagoms, lydytam „Zerodur“ lydytam silicio dioksidui. Šios medžiagos pasižymi šiluminio stabilumo matmenų konsistencija, neprilygstančia tradicinėmis medžiagomis, leidžiančiomis atlikti matavimus nanometrų skalėmis, kurios anksčiau buvo laikomos neįmanomomis praktiškoje pramoninėje aplinkoje. Galų gale, optimalus medžiagos pasirinkimas priklauso nuo kruopščiai suderintų naudojimo reikalavimų medžiagų savybių, užtikrinančių, kad pasirinkta paviršiaus plokštė suteikia pagrindo reikiamo tikslumo stabilumą, reikalingą konkrečiam metrologijos darbui palaikyti. Gamybos technologijoms ir toliau siekiant vis-didesnių tikslumo reikalavimų, tinkamos paviršiaus plokštės medžiagos parinkimo svarba tik didės kaip esminis pagrindas, nuo kurio priklauso visos matmenų matavimo operacijos.