Ngành công nghiệp thiết bị chính xác đang lặng lẽ bước vào kỷ nguyên vật liệu mới. Trong nhiều thập kỷ, câu trả lời cho gần như mọi câu hỏi về cấu trúc cực kỳ{1}}chính xác đều giống nhau: đá granit tự nhiên, gang hoặc đúc khoáng sản trong những năm gần đây. Những vật liệu này vẫn là xương sống của ngành và chúng sẽ tiếp tục như vậy. Tuy nhiên, khi dạo qua các hội trường của các triển lãm đo lường hàng đầu ngày hôm nay, bạn sẽ nhận thấy điều gì đó mới mẻ: dầm sợi carbon trên các-CMM tốc độ cao và các thử nghiệm-giai đoạn đầu của bê tông hiệu suất cực cao (UHPC) trong móng máy. Cả hai tài liệu đều giải quyết được những điểm yếu mà các lựa chọn truyền thống gặp khó khăn để khắc phục và cả hai đều đang chuyển từ tính tò mò trong phòng thí nghiệm sang sản xuất thương mại.
Bài viết này xem xét hai vật liệu mới nổi này phù hợp ở đâu, chúng thực sự cung cấp những gì, giới hạn của chúng là gì và các nhà sản xuất thiết bị cũng như người dùng cuối nên nghĩ như thế nào về chúng. Mục tiêu không phải là dự đoán kết thúc của đá granit, vốn vẫn chưa có bề mặt tham chiếu tương đương, mà là cung cấp cho nhóm kỹ thuật và mua hàng cái nhìn-rõ ràng về thế hệ tiếp theo của cấu trúc siêu chính xác.
Tại sao ngành công nghiệp đang tìm kiếm vật liệu kết cấu mới
Ba xu hướng đang thúc đẩy các nhà thiết kế thiết bị vượt ra khỏi hộp công cụ vật liệu truyền thống.
Đầu tiên, máy móc ngày càng nhanh hơn. CMM-quét tốc độ cao, hệ thống cổng với gia tốc trên 1 g và các công cụ kiểm tra nội tuyến được tích hợp vào dây chuyền sản xuất đều yêu cầu khối lượng chuyển động vừa nhẹ, cứng vừa giảm chấn tốt. Một thanh ngang bằng đá granit mang lại sự ổn định và giảm chấn, nhưng mật độ của nó (khoảng 3.000 kg/m3) giới hạn tốc độ có thể tăng tốc và mỗi kg tăng thêm trên trục thẳng đứng sẽ tiêu tốn công suất truyền động, tuổi thọ vòng bi và tốc độ đo.
Thứ hai, quản lý nhiệt đã trở thành nguồn lỗi chủ yếu. Do các sai số hình học được thiết kế xuống mức-micron phụ, hiện tượng trôi dạt nhiệt hiện chiếm phần lớn trong tổng số độ không chắc chắn trong nhiều hệ thống lắp đặt. Các vật liệu có độ giãn nở nhiệt thấp và độ dẫn nhiệt thấp có độ chính xác cao.
Thứ ba, các tổ chức đang được yêu cầu phải làm nhiều hơn nữa. Các khu sản xuất máy móc chính xác hiện đại, phòng sạch in thạch bản và phòng thí nghiệm đo lường thường được xây dựng ở các tầng trên hoặc nền đất nghèo, nơi các tấm bê tông thông thường không thể mang lại độ ổn định mà thiết bị nhạy cảm với rung động yêu cầu.
Vật liệu tổng hợp sợi carbon và UHPC phản ứng trực tiếp với ba áp lực này, tương ứng trong cấu trúc chuyển động và trong nền móng.
Dầm chính xác bằng sợi carbon: Nhẹ, cứng và cách nhiệt
Polyme gia cố bằng sợi carbon (CFRP) đã được sử dụng trong ngành hàng không vũ trụ trong nhiều thập kỷ và các thương hiệu CMM cao cấp đã áp dụng nó cho dầm cổng và trục xoay Z-. Sự hấp dẫn rất đơn giản khi bạn so sánh các con số.
- Độ cứng cụ thể: vật liệu tổng hợp sợi carbon đạt tỷ lệ độ cứng-trên-trọng lượng cao hơn khoảng ba đến năm lần so với thép hoặc đá granit vì mật độ của chúng chỉ khoảng 1.600 kg/m3 trong khi vật liệu cán mỏng một chiều đạt được mô đun đàn hồi trên 150 GPa
- Giãn nở nhiệt: sợi mô đun tiêu chuẩn giãn nở gần bằng 0 và hỗn hợp sợi được chọn đặc biệt có thể được thiết kế để đạt hệ số giãn nở nhiệt gần 0,0000006 mỗi Kelvin, về cơ bản là không thứ nguyên so với sự thay đổi nhiệt độ trong phòng thí nghiệm
- Giảm chấn: ma trận polymer tiêu tan rung động tốt hơn kim loại, giảm thời gian lắng sau khi di chuyển nhanh
- Tự do thiết kế: dầm được bố trí và bảo dưỡng dưới dạng một hộp rỗng hoặc phần cánh máy bay, do đó, các gân và độ dày của tường đi chính xác đến mức mà phân tích độ cứng yêu cầu.
Trong thực tế, mộtchùm tia chính xác bằng sợi carboncho phép giàn CMM tăng tốc nhanh hơn và ổn định sớm hơn mà không cần thêm độ không đảm bảo đo. Các nhà sản xuất báo cáo tốc độ quét được cải thiện từ 30 đến 50 phần trăm trên các máy được trang bị-carbon so với các thiết kế dầm bằng đá granit tương đương, cùng với việc giảm độ mài mòn của ổ đĩa. Đối với trục xoay thẳng đứng, trọng lượng thấp giúp giảm đáng kể tải trọng trên bộ truyền động Z-, cải thiện cả tuổi thọ lẫn độ chính xác của việc thăm dò động.
Những hạn chế trung thực của sợi carbon
Các bài báo thịnh hành có xu hướng bán quá nhiều các sản phẩm tổng hợp, vì vậy đây là mặt khác của sổ cái. Dầm bằng sợi carbon đắt tiền, thường đắt gấp nhiều lần so với dầm bằng đá granit tương đương, vì không thể tránh khỏi việc xử lý bằng nồi hấp hoặc-nhiệt độ cao và gia công dụng cụ chính xác. Độ ổn định kích thước của chúng phụ thuộc vào thiết kế laminate: khả năng hấp thụ độ ẩm và lão hóa nhiệt ẩm phải được thiết kế với kiến trúc sợi và lựa chọn nhựa thích hợp. Và quan trọng là sợi carbon không thể bị mài mòn. Nó không thể cung cấp bề mặt tham chiếu làm việc của tấm đá granit, đó là lý do tại sao các thiết kế thương mại hầu như luôn ghép chùm tia CFRP với các thanh dẫn hướng bằng đá granit hoặc gốm và các mặt tham chiếu. Sợi carbon thay thế cấu trúc chuyển động chứ không phải tiêu chuẩn tham khảo.
UHPC: Xem xét lại lớp nền tảng
Bê tông hiệu suất siêu cao-là một loại bê tông mới khác. Thay vì cạnh tranh với đá granit ở bề mặt làm việc, UHPC nhắm vào lớp bên dưới: móng máy, cột và khối quán tính.
UHPC là hỗn hợp xi măng có độ dốc dày đặc của cốt liệu và sợi, đạt cường độ nén trên 120 MPa (gấp hơn ba lần bê tông kết cấu thông thường) và độ xốp thấp hơn đáng kể. Đối với các ứng dụng chính xác, các đặc tính liên quan của nó là:
- Khối lượng rất cao với chi phí mỗi tấn thấp, đó chính xác là những gì cơ sở quán tính cần
- Đặc tính giảm chấn vượt trội so với bê tông thông thường và có thể so sánh ở các dải hữu ích với đúc khoáng sản
- Độ co ngót thấp sau khi bảo dưỡng, cho phép đúc nền móng nguyên khối lớn với hình dạng có thể dự đoán được
- Gia cố bằng sợi thép giúp vật liệu có đủ độ bền kéo để chịu được tải trọng khi vận chuyển và neo
Các nhóm nghiên cứu và các nhà chế tạo máy công cụ đã thử nghiệm bệ máy UHPC trong nhiều năm và kết quả đủ thuyết phục đến mức một số nhà chế tạo trung tâm gia công và mài hiện đã xuất xưởng các máy có bệ máy loại polyme-đã được sửa đổi hoặc UHPC{1}}. Trong đo lường chính xác, mô hình mới nổi là kiến trúc phân lớp: khối móng UHPC trên các bộ cách ly, nền đá granit phía trên và đúc bằng sợi carbon hoặc khoáng chất trong các trục chuyển động nhanh nhất. Đây là logic kỹ thuật tương tự đằng sau mọiĐộ chính xác UHPCcấu trúc: mỗi vật liệu thực hiện công việc tốt nhất và hệ thống hoạt động tốt hơn bất kỳ-thiết kế vật liệu đơn lẻ nào.
Những gì UHPC không thể thay thế
Các bề mặt UHPC không thể được mài phẳng để đạt được độ phẳng đo lường và độ ổn định kích thước của chúng qua nhiều năm vẫn có thành tích ngắn hơn so với đá granite. Sự thay đổi nhiệt độ môi trường xung quanh di chuyển UHPC nhiều hơn đá granit. Nó là nền và vật liệu khối kết cấu, không phải là bề mặt tham chiếu. Bất kỳ ai đề xuất gia công các tính năng lắp đặt chính xác trực tiếp vào UHPC nên lên kế hoạch sử dụng các hạt dao bằng thép hoặc gốm nhúng, giống hệt như phương pháp đúc khoáng sản hiện nay.
Vật liệu mới so sánh với vật liệu cũ như thế nào
| Tài sản | đá granit | Đúc khoáng sản | Sợi cacbon | UHPC |
|---|---|---|---|---|
| Mật độ (kg/m3) | Khoảng 3.000 | Khoảng 2.400 | Khoảng 1.600 | Khoảng 2.400 |
| Độ cứng cụ thể | Cao | Trung bình | Rất cao | Trung bình |
| Giảm xóc | Tốt | Xuất sắc | Tốt | Rất tốt |
| Sự giãn nở nhiệt | Rất thấp | Thấp | Gần số không | Trung bình |
| Bề mặt tham chiếu có thể xếp chồng lên nhau | Đúng | KHÔNG | KHÔNG | KHÔNG |
| Chi phí tương đối trên mỗi đơn vị độ cứng | Trung bình | Trung bình | Cao | Thấp |
| Vai diễn xuất sắc nhất | Bảng tham khảo, căn cứ | Giường máy, kết cấu phụ | Dầm, trục di chuyển nhanh | Nền móng, khối quán tính |
Bảng này làm cho bức tranh chiến lược trở nên rõ ràng: những vật liệu này là những sản phẩm bổ sung chứ không phải đối thủ cạnh tranh. Các thiết kế máy chiến thắng trong thập kỷ tới sẽ xếp chúng theo chức năng.
Điều này có ý nghĩa gì đối với người mua thiết bị
Nếu bạn mua hoặc chỉ định máy móc chính xác, làn sóng vật liệu mới sẽ thay đổi ba cuộc trò chuyện thực tế.
Đầu tiên, hãy hỏi những người chế tạo máy xem dầm chuyển động của họ được làm bằng gì. Nếu thông lượng quan trọng với bạn thì sợi carbon hoặc chùm tia lai có thể giúp ích cho tốc độ quét và giảm thời gian chu kỳ, đặc biệt là trên các CMM cổng và hệ thống nội tuyến.
Thứ hai, coi nền móng như một bộ phận của máy. Khi lắp đặt thiết bị nặng hoặc nhạy cảm với độ rung-, hãy thảo luận về cơ sở quán tính của UHPC hoặc đúc khoáng chất với nhà cung cấp của bạn thay vì mặc định là cột bê tông đơn giản. Chi phí gia tăng nhỏ so với máy và lợi ích cách ly lớn.
Thứ ba, làm việc với những nhà cung cấp hiểu rõ toàn bộ vấn đề. Một nhà cung cấp sản xuất nền đá granit, cấu trúc đúc khoáng sản và gốm sứ chính xác, đồng thời là người cung cấp và kiểm soát nguyên liệu thô của chính mình, có thể thiết kế các giao diện giữa các lớp này một cách chính xác, từ các lớp chèn nhúng đến các khoảng trống cách nhiệt, thay vì bán cho bạn một vật liệu và hy vọng phần còn lại sẽ ổn.
Câu hỏi thường gặp
Sợi carbon sẽ thay thế đá granit trong CMM?
Không, không phải trong tương lai gần. Sợi carbon đang thay thế đá granit trong các dầm và trục chuyển động ở những nơi có khối lượng thấp quan trọng nhất, trong khi đá granit vẫn là vật liệu được lựa chọn cho bàn, bề mặt tham chiếu và đế kết cấu. Hầu hết các máy tiên tiến hiện nay đều sử dụng cả hai.
UHPC có phù hợp với bệ máy công cụ chứ không chỉ nền móng không?
Có, và một số nhà chế tạo máy công cụ đã xuất xưởng máy mài có bệ loại UHPC{0}}. Các cảnh báo được nhúng vào cho tất cả các tính năng lắp đặt và quản lý bảo dưỡng cẩn thận. Đối với các bề mặt đo lường chính xác, việc đúc đá granit hoặc khoáng sản trên nền UHPC vẫn là kiến trúc thực tế hơn ngày nay.
Sợi carbon ổn định như thế nào qua nhiều năm sử dụng?
Tấm cán mỏng cấp độ hàng không vũ trụ-được thiết kế tốt với nhựa có độ ẩm thấp và cấu trúc sợi cân bằng giữ được hình dạng của chúng qua nhiều thập kỷ sử dụng. Rủi ro nằm ở các thiết kế laminate rẻ tiền với cách bố trí không cân bằng, có thể bị cong vênh khi thay đổi độ ẩm. Đây là lý do tại sao việc mua cấu trúc hỗn hợp từ các nhà cung cấp có khả năng kiểm soát quy trình cấp độ-hàng không vũ trụ hoặc gắn bó với các thương hiệu máy đã được chứng minh lại quan trọng.
Tôi nên hỏi gì khi chỉ định cấu trúc chính xác kết hợp?
Yêu cầu mức sai số hoàn chỉnh: độ chính xác hình học của từng bề mặt được phủ, dữ liệu giãn nở nhiệt cho từng lớp kết cấu, khả năng truyền rung của hệ thống móng và các bảng dữ liệu vật liệu đằng sau mỗi yêu cầu. Một nhà sản xuất có năng lực sẽ trả lời bằng những con số và tiêu chuẩn chứ không phải tính từ.
Lời cuối cùng
Dầm sợi carbon và nền móng UHPC không phải là một cuộc cách mạng gạt đá granite sang một bên. Chúng là những lớp còn thiếu trong đống vật liệu mà đá granit đã tạo ra. Máy móc hoạt động nhanh hơn với sợi carbon khi khối lượng quan trọng, ổn định hơn với UHPC khi cần khối lượng với giá rẻ và chính xác hơn với đá granit nơi có bề mặt tham chiếu. Những công ty nắm vững tất cả các vật liệu này và biết vị trí của từng vật liệu sẽ xác định thế hệ thiết bị siêu chính xác tiếp theo.
Là một nhà sản xuất bắt nguồn từ đá granit tự nhiên với mỏ đá riêng và với các dây chuyền phát triển về đúc khoáng sản và gốm sứ chính xác, chúng tôi theo dõi và áp dụng những công nghệ mới nổi này từ góc nhìn{0}}kỹ thuật đầu tiên. Nếu bạn đang lên kế hoạch cho một máy móc hoặc phòng thí nghiệm chính xác mới và muốn có đánh giá trung thực về vị trí của vật liệu trong cấu trúc của bạn, hãy gửi cho chúng tôi bố cục và tải trọng của bạn để chúng tôi xem xét.