Ako určiť ohrievaciu dosku s prednou stranou invaru s vysokou{0}}teplotou a nízkou{1}}tepelnou-expanziou?

Celooceľová vykurovacia doska sa s teplotou výrazne rozťahuje a postupne mení rozmery povrchu, ktorý vykonáva prácu. V mnohých aplikáciách priemyselného vykurovania nie je tento pohyb dôležitý. Pri ultra-presných procesoch, ako je litografia s nanotlačou, presné optické lisovanie, spájanie polovodičov a vysoko presné formovanie kompozitov, sa však tepelná rozťažnosť stáva kľúčovým zdrojom rozmerových chýb. Odpoveďou je pripojiť tenkú vrstvu zliatiny Invar - a niklu- s veľmi nízkym koeficientom tepelnej rozťažnosti - na pracovnú plochu dosky, čím sa vytvorí kompozitná tepelná štruktúra, ktorá je veľmi rozmerovo stabilná aj pri prevádzke pri zvýšených teplotách.

Špecifikácia ohrevu čelnej dosky Invar odlišuje dobrý vykurovací výkon od rozmerovej presnosti v moderných tepelných nástrojoch.

Efekty tepelnej expanzie v presných platniach
Problém s tradičnými oceľovými povrchmi
Typické dosky z ocele a nehrdzavejúcej ocele sa pri zahrievaní veľmi rozťahujú. Dokonca aj nízke prevádzkové teploty môžu viesť k zistiteľnému rozmerovému posunu na veľkých pracovných plochách.

Možné dôsledky zahŕňajú:

Deformovanie tvarovaných prvkov

Nesprávne nastavenie presných nástrojov

Deformácia povrchu optiky

Chyby pri registrácii

Nerovnomerné rozloženie tlaku

Pre aplikácie merané v mikrónoch alebo nanometroch môžu byť tieto teplotné výkyvy neuspokojivé

Čo urobil Invar?
Invar (známy ako FeNi36) je zliatina niklu-železa známa svojou špecifickou vlastnosťou nízkeho koeficientu tepelnej rozťažnosti (CTE).

Typické hodnoty tepelnej rozťažnosti sú:

Materiál Približný CTE
Invar (FeNi36) ~ 1,2 x 10^-6 / stupeň
Nehrdzavejúca oceľ ~10 až 17 × 10-6/ stupeň
To znamená, že Invar expanduje približne o jednu-desatinu rýchlejšie ako bežné nehrdzavejúce ocele.

Koža Invaru je rozmerovo zamrznutá tvár, zrkadlo kovu, ktoré je úplne nehybné a ignoruje teplo okolo seba.

Jednoduchá konštrukcia ohrievacej platne s invarovou plochou
Dizajn kompozitnej dosky
Invarová čelná doska však nie je normálne vyrobená z pevného Invaru z dôvodu ceny, tepelnej odozvy a mechanickej praktickosti. Namiesto toho sa používa kompozitná konštrukcia.

Typicky systém pozostáva z:

Teleso obsahujúce dosku z konštrukčnej ocele

Zabudované ohrievače kaziet

Invar lepená predná strana k pracovnej ploche

Presné opracovanie a leštenie dokončovacích vrstiev

Táto architektúra spája tepelnú kapacitu a mechanickú tuhosť ocele s rozmerovou stabilitou Invaru na základnom prevádzkovom rozhraní.

Výber hrúbky lícnej fólie Invar
Typické hrúbky
Predná strana Invar je zvyčajne špecifikovaná v rozsahu:

Hrúbka 3 mm a 10 mm

Hrúbka závisí od mnohých faktorov:

Nevyhnutná tuhosť

Tolerancia rovinnosti povrchu

Kritériá tepelnej odozvy

Mechanické zaťaženie

Príspevok na brúsenie:

Oblasť procesnej teploty

Tenší plech zvyšuje tepelnú reaktivitu, hrubší plech môže poskytnúť väčšiu rozmerovú tuhosť a lepšiu odolnosť proti deformácii povrchu.

Techniky lepenia pre invarovú tvár
Opláštenie prostredníctvom explózie
Výbušné opláštenie je veľmi silná technika na pripevnenie Invaru k oceli. Ak v kontrolovanom prostredí narazíte na dva materiály pri vysokej energii, metalurgicky sa spoja bez veľkého tavenia.

Medzi výhody patrí:

Veľmi dobrá pevnosť spoja

Nízky koeficient tepelného skreslenia

Veľkoplošná lepiaca schopnosť

Dobrá únavová sila

Vákuové spájkovanie pri vysokej teplote
Vákuové spájkovanie je ďalšou populárnou metódou používanou pre vysokovýkonné dosky. Spájanie materiálov je realizované použitím tvárnej spájkovacej zliatiny pri vysokej teplote a vo vákuu.

Výhody sú:

Jednotné vytvorenie spojovacej línie

Nízka kontaminácia

Dobrá tepelná vodivosť

Silná integrita rozhrania

Oba prístupy sú určené na vytvorenie rozhrania s veľmi nízkym tepelným odporom pri zachovaní mechanickej odolnosti opakovaným tepelným cyklovaním.

Význam kvality dlhopisov
Diferenčné tepelné napätie
Invar sa veľmi nerozťahuje, ale oceľová doska pod ním sa pri zahrievaní veľmi rozťahuje. To vedie k veľkému šmykovému napätiu na rozhraní väzby.

Preto musí väzobná línia vyhovovať:

Tepelné cyklovanie sa opakuje

Diferenciálne expanzné sily

Veľká kompresia povrchu

mechanické otrasy

Chronická únava

Ak je kontakt slabý alebo nedostatočne spojený, môže sa pri prevádzke oddeliť, prasknúť alebo zdeformovať.

Vysokokvalitné systémy tvárnej väzby sú preto predpokladom každej významnej špecifikácie vyhrievacej dosky Invar.

Požiadavky na rovinnosť povrchu a povrchovú úpravu
Presné brúsenie a leštenie
Po lepení je povrch Invar zvyčajne presne opracovaný, honovaný a leštený, aby sa dosiahli veľmi tesné tolerancie rovinnosti.

Špecifikácie môžu v závislosti od aplikácie zahŕňať:

Rovinnosť na úrovni mikrónov

Špecifikácie drsnosti povrchu

Hranice paralelnosti

Leštenie v optickej kvalite

Proces dokončovania je posledný, ktorý určuje konečnú geometriu Invar a jeho kvalita priamo ovplyvňuje presnosť postupu.

Rovnomerná teplota na tvári
Významné je aj rovnomerné rozloženie teploty. Dokonca aj rozmerovo stabilný materiál sa môže stále mierne deformovať pri veľkých teplotných zmenách na povrchu dosky.

Tepelné mapovanie a zónovanie ohrievačov sa široko používajú na zabezpečenie:

Konštantná teplota tváre

Minimálne okrajové straty

Nábehové rýchlosti (kontrolované)

Stabilný chod so stabilitou

Zabudované ohrievače kaziet
Zahrejte oceľový rám
Hlavný zdroj tepla je zvyčajne integrovaný do oceľového doskového telesa pomocou kazetových ohrievačov v starostlivo naplánovaných vzoroch.

Pri usporiadaní ohrievača je potrebné zvážiť:

Tepelná vodivosť ocele

Invarová vrstva vstupujúca do tepla

Efekty ochladzovania okrajov

Proces načítania kontaktu

Umiestnenie snímača teploty

Správna poloha ohrievačov zabraňuje vzniku lokálnych horúcich miest, ktoré by mohli narušiť tepelnú homogenitu na povrchu Invaru.

Odozva vs. tepelná hmotnosť
Ťažká oceľová konštrukcia poskytuje:

Mechanická tuhosť

Schopnosť akumulácie tepla

Štrukturálna spoľahlivosť

Medzitým je rozmerová presnosť zachovaná na pracovnom rozhraní na ploche Invar.

Toto vyváženie poskytuje veľmi stabilný tepelný základ pre náročné presné výrobné procesy.

Inšpekcia a kontrola kvality
Ultrazvukové testovanie väzby
Ultrazvukové kontrolné techniky, ktoré sú schopné zistiť integritu spoja, sa zvyčajne používajú na overenie:

Medzery

De{0}}laminácia

Nedostatočná väzba

Praskliny v interiéri

Ne{0}}deštruktívne testovanie je veľmi dôležitým krokom kontroly kvality, pretože počas tepelného cyklu sa môžu zväčšiť chyby rozhrania.

Tepelné overenie
Hotové dosky môžu byť tiež

Tepelné mapovanie povrchu

Kontrola rovinnosti pri prevádzkovej teplote.

Tepelný cyklický test

Hodnotenie dynamickej odozvy

Kompozitná konštrukcia je overená, aby sa potvrdila jej správna funkcia v reálnych pracovných podmienkach.

Typické aplikácie pre invarové dosky sú:
Výrobné procesy pre vysokú presnosť
Ohrievacie dosky s invarovými plochami sú často špecifikované pre:

Nanotlačová litografia

Tvarovaná optická šošovka

Spájanie polovodičových plátkov.

Presné vytvrdzovanie kompozitu

Laminovanie tenkým filmom

Komponenty na tvarovanie letectva

Tieto aplikácie vyžadujú veľmi stabilnú geometriu počas vykurovacieho cyklu.

V skratke
Jedným z najúspešnejších technických riešení na kontrolu tepelného skreslenia v presných vyhrievaných nástrojoch je vyhrievacia platňa s invarovým povrchom. Dizajn ponúka vynikajúcu rozmerovú stabilitu pri vysokých pracovných teplotách kombináciou robustnej pevnosti a tepelnej hmoty ocele s takmer nulovou tepelnou rozťažnosťou vrchnej vrstvy Invar.

Správne navrhnutá špecifikácia vyhrievacej dosky Invar musí zohľadňovať kvalitu spojenia, tepelnú rovnomernosť, rovinnosť povrchu, usporiadanie ohrievača a dlhodobú odolnosť tepelného cyklu. Výsledné zariadenie je veľmi stabilná tepelná platforma, ktorá si zachováva presnosť na mikrónovej{1}}úrovni aj pri náročných vykurovacích podmienkach.

Najpresnejšie nástroje sú často tie, ktoré boli v moderných systémoch tvárnenia a tepelného spracovania určené na to, aby boli stacionárne, aj keď sú zahrievané.