Gdzieś w większości nowoczesnych systemów do litografii półprzewodników, narzędziach do kontroli płytek i wysokiej klasy-współrzędnościowych maszynach pomiarowych znajduje się element wykonujący coś, co brzmi niemal nieprawdopodobnie: precyzyjny stolik unoszący się na warstwie powietrza o grubości zaledwie kilku mikronów i poruszający się z zasadniczo zerowym tarciem. Zrozumienie, jak działają granitowe łożyska powietrzne - i dlaczego właśnie granit jest materiałem z wyboru -, wiele wyjaśnia, w jaki sposób faktycznie osiąga się ultra-precyzyjną kontrolę ruchu.
Podstawowa zasada
Łożysko powietrzne działa na zasadzie tłoczenia sprężonego powietrza przez porowatą lub-powierzchnię zasilaną przez otwór, tworząc cienką, ciągłą poduszkę powietrzną pomiędzy dwiema powierzchniami, które w przeciwnym razie stykałyby się fizycznie. Obciążenie - stolik, wrzeciono, ruchomy stół - dosłownie unosi się na tej warstwie powietrza, zwykle o grubości od 5 do 20 mikronów, w zależności od projektu i wymagań dotyczących obciążenia.
Ponieważ nie ma fizycznego kontaktu między powierzchnią ruchomą i nieruchomą, nie występuje tarcie mechaniczne, zjawisko stick-poślizgowe i zasadniczo nie dochodzi do zużycia. Jest to sytuacja zasadniczo odmienna od konwencjonalnego łożyska mechanicznego, które - niezależnie od tego, jak dobrze-obrobione jest -, zawsze charakteryzuje się pewnym stopniem tarcia, mikroskopijną nieregularnością powierzchni i stopniowym zużyciem w całym okresie eksploatacji.
Brak tarcia i drgań- sprawia, że łożyska powietrzne są przydatne w przypadku ultra-precyzyjnego pozycjonowania. Łożyska mechaniczne wykazują zwykle małe, nieprzewidywalne skoki położenia przy bardzo małych prędkościach lub przy zmianie kierunku - zjawisko zwane stick-poślizgiem, spowodowane przejściem między tarciem statycznym i kinetycznym. Dla większości zastosowań przemysłowych nie ma to znaczenia. W przypadku stolika, który musi poruszać się w odstępach nanometrowych, może to być dominujące źródło błędu pozycjonowania.
Dlaczego granit jest preferowaną powierzchnią nośną
Łożyska powietrzne teoretycznie można budować na różnych płaskich, twardych materiałach, ale granit stał się standardowym wyborem na nieruchomą powierzchnię nośną (często nazywaną prowadnicą lub płytą nośną) w-zastosowaniach wymagających dużej precyzji, z kilku zbieżnych powodów:
Stabilność płaskości w czasie. Ponieważ granit ma wyjątkowo niskie naprężenia wewnętrzne w porównaniu z obrobionym metalem (metal zatrzymuje naprężenia szczątkowe powstałe w procesie odlewania i obróbki, co może powodować stopniowe, drobne przesunięcia wymiarowe na przestrzeni miesięcy lub lat), granitowa powierzchnia nośna ma tendencję do utrzymywania swojej specyfikacji płaskości znacznie dłużej niż odpowiednik metalu. W przypadku łożyska pneumatycznego, gdzie cała koperta wydajności zależy od utrzymania spójnej, kontrolowanej szczeliny, stabilność ta jest krytyczna.
Niska porowatość, kontrolowane wykończenie powierzchni. Powierzchnia nośna musi zostać wykończona tak, aby uzyskać bardzo specyficzną płaskość i chropowatość - wystarczająco płaską, aby utrzymać jednolity film powietrza, ale nie na tyle gładką, aby tworzyła niepożądane efekty powierzchniowe. Granit można szlifować i docierać zgodnie z niezbędnymi specyfikacjami w bardziej przewidywalny sposób niż wiele metali, które są bardziej podatne na odkształcenia powierzchni podczas wykańczania.
Stabilność termiczna. Jak zgranitowe podstawy maszynogólnie rzecz biorąc, stosunkowo niski i przewidywalny współczynnik rozszerzalności cieplnej granitu oznacza, że szczelina nośna pozostaje bardziej spójna przy niewielkich wahaniach temperatury niż w przypadku płyty metalowej -, co ma bezpośrednie znaczenie dla dokładności pozycjonowania w zastosowaniach przy dowolnych zmianach temperatury otoczenia.
Nie{0}}magnetyczny, elektrycznie obojętny. W środowiskach produkcyjnych półprzewodników i elektroniki unikanie pól magnetycznych i przewodnictwa elektrycznego w pobliżu wrażliwych procesów jest często trudnym wymogiem. Granit spełnia to wymaganie bez dodatkowej obróbki.
Tam, gdzie rzeczywiście używa się granitowych łożysk powietrznych
Listę zastosowań przypomina wycieczkę po-zakątkach współczesnej produkcji i kontroli charakteryzujących się najwyższą precyzją:
Etapy litografii półprzewodników i kontroli płytek, gdzie do prawidłowego dopasowania elementów na płytce wymagana jest powtarzalność pozycjonowania poniżej{0}}nanometrów.
Współrzędnościowe maszyny pomiarowe (CMM) i optyczne/laserowe-systemy pomiarowe, w których sonda pomiarowa lub kamera musi poruszać się w dużym zakresie ruchu bez powodowania własnego błędu pozycjonowania.
Liniowe stopnie silników i stoły XY stosowane w precyzyjnym montażu, obróbce laserowej (systemy laserowe femtosekundowe i pikosekundowe) oraz sprzęcie do kontroli optycznej.
Precyzyjny sprzęt do testowania śrub kulowych i prowadnic liniowych, gdzie sam stopień odniesienia musi być dokładniejszy niż testowany element.
Warto znać-kompromisy
Łożyska powietrzne nie zawsze są lepsze od łożysk mechanicznych - wymagają one ciągłego, czystego i regulowanego zasilania sprężonym powietrzem, co zwiększa złożoność systemu i ciągłe koszty operacyjne. Mają one również zazwyczaj niższą nośność na jednostkę powierzchni niż równoważne łożyska mechaniczne, a wszelkie zanieczyszczenia lub uszkodzenia dopływu powietrza mogą natychmiast wpłynąć na wydajność. W przypadku zastosowań, które nie wymagają pozycjonowania na poziomie{{3}nanometrów, dobrze-zaprojektowana mechaniczna prowadnica liniowa jest często bardziej praktyczna i-opłacalna.
Decyzja o zastosowaniu granitowego systemu łożysk powietrznych zazwyczaj sprowadza się do prostego pytania: czy wymagania dotyczące tolerancji pozycjonowania w danym zastosowaniu są niższe od tego, co mogą niezawodnie osiągnąć łożyska mechaniczne? Jeśli tak, dodatkowa złożoność układu łożysk powietrznych jest zwykle uzasadniona. Jeśli wymagania dotyczące tolerancji są bardziej umiarkowane, bardziej ekonomicznym wyborem pozostają rozwiązania mechaniczne.
Jedzenie na wynos
Granitowe łożyska powietrzne są dobrym przykładem tego, jak-inżynieria ultraprecyzyjna często sprowadza się do eliminowania źródeł błędów pojedynczo ({1}} tarcia,-poślizgu, dryftu termicznego, naprężeń szczątkowych -, a nie jakiejkolwiek pojedynczej przełomowej technologii. Fizykę łożysk powietrznych rozumie się od dziesięcioleci; Tym, co sprawia, że nowoczesne systemy osiągają wydajność na poziomie-nanometrów, jest skumulowana precyzja każdego komponentu oparta na tej podstawowej zasadzie, począwszy od płaskości i stabilności znajdującej się pod nim powierzchni granitu.