Индустрията за прецизно оборудване тихо навлиза в нова ера на материалите. В продължение на десетилетия отговорът на почти всички ултра-прецизни структурни въпроси беше един и същ: естествен гранит, чугун или през последните години минерално леене. Тези материали остават гръбнакът на индустрията и ще останат такива. Но разходете се из залите на водещите метрологични изложения днес и ще забележите нещо ново: греди от въглеродни влакна върху високо-скоростни CMM и ранни-изпитания на ултра-бетон с висока ефективност (UHPC) в фундаментите на машини. И двата материала се занимават със слабостите, които традиционният избор се бори да преодолее, и двата преминават от лабораторно любопитство към комерсиално производство.
Тази статия разглежда къде се вписват тези два нововъзникващи материала, какво наистина предлагат, какви са техните ограничения и как производителите на оборудване и крайните потребители трябва да мислят за тях. Целта не е да се предскаже краят на гранита, който все още няма равен на себе си като референтна повърхност, а да се даде ясен-глед на следващото поколение ултра-прецизни структури на инженерните и закупуващите екипи.
Защо индустрията търси нови структурни материали
Три тенденции тласкат дизайнерите на оборудване отвъд традиционната кутия с инструменти.
Първо, машините стават по-бързи. Високо{1}}скоростните сканиращи CMM, порталните системи с ускорение над едно g и вградените инструменти за проверка, интегрирани в производствените линии, изискват движещи се маси, които са едновременно леки, твърди и добре амортизирани. Гранитната напречна греда осигурява стабилност и амортизация, но нейната плътност (около 3000 kg/m3) ограничава колко бързо може да бъде ускорена и всеки добавен килограм по вертикалната ос коства задвижваща мощност, живот на лагера и скорост на измерване.
Второ, термичното управление се превърна в доминиращия източник на грешки. Тъй като геометричните грешки са проектирани до под-микронно ниво, топлинният дрейф сега представлява голям дял от общата несигурност в много инсталации. Материалите с ниско термично разширение и ниска топлопроводимост си заслужават теглото си като точност.
Трето, от фондациите се иска да направят повече. Модерните паркове за прецизни машини, литографски чисти стаи и метрологични лаборатории често се изграждат на горни етажи или бедна почва, където конвенционалните бетонни плочи не могат да осигурят стабилността, която изисква-чувствителното на вибрации оборудване.
Композитите от въглеродни влакна и UHPC реагират директно на тези три натиска, съответно в движещата се структура и в основата.
Прецизни греди от въглеродни влакна: леки, твърди и термично тихи
Подсиленият с въглеродни влакна полимер (CFRP) се използва в космическата индустрия от десетилетия и първокласните марки CMM вече са го приели за портални греди и шпиндели по ос Z-. Обжалването е лесно, след като сравните числата.
- Специфична твърдост: композитите от въглеродни влакна достигат съотношение -към-тегло приблизително три до пет пъти по-високо от стомана или гранит, тъй като тяхната плътност е само около 1600 kg/m3, докато еднопосочните ламинати постигат модули на еластичност над 150 GPa
- Термично разширение: стандартните модулни влакна се разширяват близо до нула, а специално подбраните смеси от влакна могат да бъдат конструирани до коефициент на термично разширение близо до 0,0000006 за Келвин, по същество безразмерен спрямо лабораторните температурни колебания
- Амортизиране: полимерните матрици разсейват вибрациите по-добре от металите, намалявайки времето за установяване след бързи движения
- Свобода на дизайна: гредата е поставена и втвърдена като единична куха кутия или секция на аеродинамичния профил, така че ребрата и дебелината на стените отиват точно там, където анализът на твърдостта казва, че трябва
На практика апрецизен лъч от въглеродни влакнапозволява на CMM портал да ускорява по-бързо и да се установява по-рано, без да добавя несигурност на измерването. Производителите съобщават за подобрения на скоростта на сканиране от 30 до 50 процента при машини, оборудвани с въглерод-в сравнение с еквивалентни конструкции с гранитна греда, заедно с намалено износване на задвижване. За вертикалните шпиндели ниското тегло драстично намалява натоварването на Z-задвижването, подобрявайки както дълготрайността, така и динамичната точност на сондиране.
Честните ограничения на въглеродните влакна
Тенденциите в тенденциите са склонни да преувеличават продажбите на композитите, така че ето другата страна на счетоводната книга. Гредите от въглеродни влакна са скъпи, често няколко пъти по-високи от цената на еквивалент на гранит, тъй като втвърдяването при автоклав или висока-температура и прецизните инструменти са неизбежни. Тяхната стабилност на размерите зависи от дизайна на ламината: абсорбцията на влага и хигротермалното стареене трябва да бъдат проектирани с подходяща структура на влакната и избор на смола. И най-важното е, че въглеродните влакна не могат да бъдат припокрити. Той не може да осигури работната референтна повърхност на гранитна плоча, поради което търговските проекти почти винаги съчетават CFRP греда с гранитни или керамични водачи и еталонни повърхности. Въглеродните влакна заместват движещата се структура, а не референтния стандарт.
UHPC: Преосмисляне на основния слой
Свръх{0}}бетонът с висока ефективност е различен вид новодошъл. Вместо да се конкурира с гранит на работната повърхност, UHPC се насочва към слоя отдолу: фундаменти на машини, цокли и инерционни блокове.
UHPC е циментов композит с плътно опакован градиент от агрегати и влакна, постигащ якост на натиск над 120 MPa (повече от три пъти обикновен строителен бетон) и драматично по-ниска порьозност. За прецизни приложения съответните му свойства са:
- Много висока маса при ниска цена на тон, което е точно това, от което се нуждаят инерционните бази
- Поведение на амортисьорите е по-добро от обикновения бетон и сравнимо по полезни ленти с минералното отливане
- Ниско свиване след втвърдяване, което позволява да се излеят големи монолитни основи с предвидима геометрия
- Армировка от стоманени влакна, която придава на материала достатъчна якост на опън, за да издържи натоварвания при боравене и закрепване
Изследователски групи и производители на машинни инструменти експериментират с UHPC машинни легла от години и резултатите са достатъчно убедителни, че няколко производители на шлифовъчни и обработващи центрове вече доставят машини с полимер{0}}модифицирани или UHPC-тип легла. В прецизната метрология възникващият модел е слоеста архитектура: фундаментен блок UHPC върху изолатори, гранитна платформа над него и отливка от въглеродни влакна или минерали в най-бързо движещите се оси. Това е същата инженерна логика зад всяко доказаноUHPC прецизностструктура: всеки материал върши работата, в която е най-добър, и системата превъзхожда всеки отделен-материален дизайн.
Какво UHPC не може да замени
UHPC повърхностите не могат да бъдат залепени до метрологична плоскост и тяхната стабилност на размерите през годините все още има по-кратък опит от гранита. Колебанията в температурата на околната среда преместват UHPC измеримо повече от гранита. Това е материал за основа и структурна маса, а не еталонна повърхност. Всеки, който предлага машинно прецизно монтиране на функции директно в UHPC, трябва да планира вградени стоманени или керамични вложки, точно както минералното леене прави днес.
Как новите материали се сравняват с утвърдените
| Собственост | Гранит | Леене на минерали | Въглеродни влакна | UHPC |
|---|---|---|---|---|
| Плътност (kg/m3) | Около 3000 | Около 2400 | Около 1600 | Около 2400 |
| Специфична твърдост | високо | Среден | Много високо | Среден |
| Затихване | добре | Отлично | добре | Много добре |
| Топлинно разширение | Много ниско | ниско | Близо до нулата | Среден |
| Притискаща референтна повърхност | да | не | не | не |
| Относителна цена на единица коравина | Среден | Среден | високо | ниско |
| Най-добра роля | Справочни таблици, бази | Машинни легла, подконструкции | Бързо движещи се греди, шпиндели | Фундаменти, инерционни блокове |
Таблицата прави стратегическата картина ясна: тези материали са допълнения, а не конкуренти. Печелившите машинни дизайни от следващото десетилетие ще ги наслагват по функции.
Какво означава това за купувачите на оборудване
Ако закупите или посочите прецизни машини, вълната от нови материали променя три практически разговора.
Първо, попитайте производителите на машини от какво са направени техните движещи се греди. Ако пропускателната способност има значение за вас, лъч от въглеродни влакна или хибриден лъч може да се изплати със скорост на сканиране и намалено време на цикъл, особено при портални CMM и вградени системи.
Второ, третирайте основата като част от машината. Когато инсталирате тежко или чувствително-на вибрации оборудване, обсъдете UHPC или инерционни основи за минерално леене с вашия доставчик, вместо да използвате по подразбиране обикновен бетонен цокъл. Допълнителните разходи са малки в сравнение с машината, а ползата от изолацията е голяма.
Трето, работете с доставчици, които разбират целия стек. Доставчик, който произвежда гранитни платформи, конструкции за минерално леене и прецизна керамика и който доставя и контролира собствените си суровини, може да проектира интерфейсите между тези слоеве правилно, от вградени вложки до топлоизолационни пролуки, вместо да ви продаде един материал и да се надява, че останалото работи.
Често задавани въпроси
Ще заменят ли въглеродните влакна гранита в CMM?
Не, не и в обозримо бъдеще. Въглеродните влакна заменят гранита в движещи се греди и шпиндели, където ниската маса е от най-голямо значение, докато гранитът остава избраният материал за маси, референтни повърхности и структурни основи. Най-модерните машини вече използват и двете.
UHPC подходящ ли е за легла за машинни инструменти, а не само за основи?
Да, и няколко производители на металорежещи машини вече доставят шлифовъчни машини с легла тип UHPC-. Предупрежденията са вградени вложки за всички монтажни функции и внимателно управление на втвърдяването. За прецизни метрологични повърхности гранитът или минералното отливане върху UHPC основа остава по-практичната архитектура днес.
Колко стабилни са въглеродните влакна през годините на употреба?
Добре-проектираните аерокосмически-ламинати със смоли с ниска{2}}влага и балансирани влакнести архитектури запазват своята геометрия в продължение на десетилетия на експлоатация. Рискът се крие в евтините дизайни на ламинат с небалансирани слоеве, които могат да се изкривят при промени в влажността. Ето защо е важно да купувате композитни структури от доставчици с аерокосмически-контрол на процеса или да се придържате към доказани марки машини.
Какво трябва да поискам, когато определям хибридна прецизна структура?
Поискайте пълния бюджет на грешката: геометрична точност на всяка припокрита повърхност, данни за топлинното разширение за всеки структурен слой, предаваемостта на вибрациите на фундаментната система и листовете с данни за материала зад всяка претенция. Един способен производител ще отговори с числа и стандарти, а не с прилагателни.
Последна дума
Гредите от въглеродни влакна и UHPC основите не са революция, която помита гранита настрана. Те са липсващите слоеве в купчината материали, която започна гранитът. Машините стават по-бързи с въглеродни влакна, където масата има значение, по-стабилни с UHPC, където масата е необходима евтино, и по-точни с гранит, където е референтната повърхност. Компаниите, които владеят всички тези материали и знаят къде е мястото на всеки от тях, ще определят следващото поколение ултра{3}}прецизно оборудване.
Като производител, вкоренен в естествен гранит със собствена кариера и с нарастващи линии за минерално леене и прецизна керамика, ние наблюдаваме и възприемаме тези нововъзникващи технологии от първостепенна-инженерна перспектива. Ако планирате нова прецизна машина или лаборатория и искате честна оценка кой материал къде принадлежи във вашата структура, изпратете ни вашето оформление и товари за преглед.