Negdje unutar većine modernih poluprovodničkih litografskih sistema, alata za inspekciju pločica i vrhunskih-koordinatnih mjernih mašina, postoji komponenta koja radi nešto što zvuči gotovo nevjerojatno: precizna pozornica koja lebdi na sloju zraka debelom samo nekoliko mikrona, krećući se sa praktično nultim trenjem. Razumijevanje kako granitni zračni ležajevi rade - i zašto je granit posebno odabrani materijal - objašnjava mnogo o tome kako se zapravo postiže ultra-precizna kontrola pokreta.
Osnovni princip
Vazdušni ležaj radi tako što tjera zrak pod pritiskom kroz poroznu ili otvornu površinu{0}}napajanu, stvarajući tanak, kontinuirani jastuk zraka između dvije površine koje bi inače bile u fizičkom kontaktu. Opterećenje - stepen, vreteno, pokretni sto - bukvalno lebdi na ovom zračnom filmu, obično negdje između 5 i 20 mikrona debljine, ovisno o dizajnu i zahtjevima opterećenja.
Budući da nema fizičkog kontakta između pokretne i nepokretne površine, nema mehaničkog trenja, nema klizanja -i u suštini nema habanja. Ovo je fundamentalno drugačija situacija od konvencionalnog mehaničkog ležaja, koji - bez obzira koliko dobro-obrađen - uvijek ima određeni stepen trenja, mikroskopske nepravilnosti površine i postepeno trošenje tokom svog radnog vijeka.
Odsustvo trenja i klizanja štapića{0}}je ono što čini zračne ležajeve vrijednim za ultra-precizno pozicioniranje. Mehanički ležajevi imaju tendenciju da pokazuju male, nepredvidive skokove u položaju pri vrlo malim brzinama ili pri obrnutom smjeru -, fenomen koji se naziva klizanje-, uzrokovan prijelazom između statičkog i kinetičkog trenja. Za većinu industrijskih aplikacija ovo je nebitno. Za fazu koja se mora kretati u nanometarskim koracima, to može biti dominantan izvor greške pozicioniranja.
Zašto je granit poželjna nosiva površina
Zračni ležajevi se teoretski mogu graditi na različitim ravnim, tvrdim materijalima, ali granit je postao standardni izbor za stacionarnu nosivu površinu (koja se često naziva ležaj ili ploča) u visoko{0}}preciznim aplikacijama, iz nekoliko razloga:
Stabilnost ravnosti tokom vremena. Budući da granit ima izuzetno nisko unutrašnje naprezanje u usporedbi s obrađenim metalom (metal zadržava zaostalo naprezanje od procesa lijevanja i strojne obrade, što može uzrokovati postepene, male pomake dimenzija tijekom mjeseci ili godina), površina granita koja nosi svoju plosnatost ima tendenciju da zadrži svoju specifikaciju ravnosti daleko duže od metalnog ekvivalenta. Za zračni ležaj, gdje cijeli okvir performansi ovisi o održavanju dosljednog, kontroliranog zazora, ova stabilnost je kritična.
Niska poroznost, kontrola površine. Nosiva površina mora biti završena na vrlo specifičnu ravnost i hrapavost - dovoljno ravnu da održi ujednačen zračni film, ali ne toliko glatka da stvara neželjene efekte površine. Granit se može predvidljivije brusiti i obrađivati prema potrebnim specifikacijama nego mnogi metali, koji su skloniji deformaciji površine tokom završne obrade.
Termička stabilnost. Kao i sabaze mašina od granitageneralno, relativno nizak i predvidljiv koeficijent termičke ekspanzije granita znači da zazor ležišta ostaje konzistentniji tokom malih temperaturnih fluktuacija nego što bi bio na metalnoj ploči - direktno relevantan za preciznost pozicioniranja u aplikacijama sa bilo kojom varijacijom temperature okoline.
Nije-magnetna, električno inertna. U okruženjima proizvodnje poluprovodnika i elektronike, izbjegavanje magnetnih polja i električne provodljivosti u blizini osjetljivih procesa često je težak zahtjev. Granit to zadovoljava bez ikakvog dodatnog tretmana.
Gdje se granitni zračni ležajevi zapravo koriste
Lista aplikacija glasi kao obilazak najpreciznijih{0}}uglova moderne proizvodnje i inspekcije:
Poluprovodnička litografija i faze inspekcije pločice, gdje je potrebna ponovljivost pod-nanometarskog pozicioniranja da bi se karakteristike pravilno poravnale na pločici.
Koordinatne mjerne mašine (CMM) i optički/laserski{0}}bazirani mjerni sistemi, gdje se mjerna sonda ili kamera moraju kretati kroz veliki raspon putovanja bez unošenja vlastite greške u pozicioniranju.
Stepeni linearnog motora i XY stolovi koji se koriste u preciznoj montaži, laserskoj obradi (femtosekundni i pikosekundni laserski sistemi) i opremi za optičku kontrolu.
Precizni kuglični vijak i oprema za testiranje linearne vodilice, gdje sama referentna faza mora biti preciznija od komponente koja se testira.
Zamjena{0}}vrijedna znanja
Vazdušni ležajevi nisu univerzalno bolji od mehaničkih ležajeva -, oni zahtijevaju kontinuirano, čisto, regulirano dovod komprimovanog zraka, što dodaje kompleksnost sistema i stalne troškove rada. Oni također općenito imaju manji kapacitet nosivosti po jedinici površine od ekvivalentnog mehaničkog ležaja, a svaka kontaminacija ili oštećenje dovoda zraka može odmah utjecati na performanse. Za aplikacije koje ne zahtijevaju pozicioniranje u nanometarskom{3}}nivou, dobro-dizajniran mehanički linearni vodič je često praktičniji i isplativiji{5}.
Odluka da se koristi granit sistem vazdušnih ležajeva obično se svodi na jednostavno pitanje: da li zahtevi za toleranciju pozicioniranja u aplikaciji spadaju ispod onoga što mehanički ležajevi mogu pouzdano postići? Ako da, dodatna složenost sistema vazdušnih ležajeva je obično opravdana. Ako je zahtjev za tolerancijom umjereniji, mehanička rješenja ostaju ekonomičniji izbor.
Za poneti
Granitni zračni ležajevi su dobar primjer kako se ultra-precizno inženjerstvo često svodi na eliminaciju izvora grešaka jedan po jedan - trenje, klizanje{2}}klizanje, termalni pomak, zaostalo naprezanje -, a ne na bilo koju inovativnu tehnologiju. Fizika vazdušnih ležajeva je shvaćena decenijama; ono što čini da moderni sistemi postižu performanse na nanometarskom{5}}nivou je akumulirana preciznost svake komponente oko tog osnovnog principa, počevši od ravnosti i stabilnosti površine granita ispod nje.