Com especificar una placa calefactora amb un desnivell total indicat específic (TIR) ​​per a una aplicació de precisió?

Una placa d'escalfament per a unió òptica o processament d'hòsties de semiconductors no només ha de ser "plana", sinó plana en poques micres. El llenguatge d'especificació per a això és Total Indicated Runout. Aconseguir-ho correctament en el dibuix determina tot el procés de fabricació. La planitud mal definida pot proporcionar un contacte desigual, zones calentes i peces rebutjades. Un TIR ben especificat proporciona una transferència tèrmica uniforme des de la placa calefactora a tota l'àrea de treball, una necessitat absoluta on la precisió és el nom del joc. TIR o desnivell total indicat en una placa calefactora? El desnivell total indicat és la fluctuació màxima de l'alçada d'una superfície determinada per un indicador de dial a mesura que la peça es gira o s'escaneja sobre una àrea definida. Per a una placa de calefacció plana, el TIR és realment una mesura de planitud i paral·lelisme junts. L'indicador es posa a zero contra un punt de referència i després es mou sobre la cara de treball de la placa. S'observa qualsevol canvi - pic o baix -. El valor TIR és la diferència entre la lectura més alta i la més baixa en el rang de mesura indicat. El criteri de TIR < 0,025 mm (25 micròmetres) a través d'una placa de 300 mm de diàmetre significa que cap punt de la superfície està a més de ± 0,0125 mm del pla de referència. En aplicacions d'ultra-precisió, poden ser necessaris valors TIR de 0,010\\;mm o fins i tot 0,005\\;mm. El TIR requerit sovint es determina per la tolerància de gruix de l'objecte que s'està processant o pel control de la bretxa necessari per a un procés de laminació o unió. Les peces més fines i sensibles (per exemple, hòsties de semiconductors, vidre òptic) requereixen un TIR més estret. Per què és difícil obtenir un TIR ajustat per a plaques de calefacció Una placa de calefacció no és només una llosa de metall. S'ofereix amb ranures colades-o subjectades-en els elements calefactors o bé perforades per als escalfadors de cartutxos. Pot tenir pous de termoparell, forats de muntatge i canals de refrigeració. Les tensions internes són causades pel procés de producció - mecanitzat, soldadura, tractament tèrmic. Aquestes tensions s'alliberen quan la placa s'escalfa a la temperatura de treball creant deformació. Una placa que és plana a temperatura normal pot inclinar-se 0,1 mm o més a 150 C. A la pràctica, la planitud és una característica que depèn de la temperatura en una placa de calefacció. Per tant, el TIR per si sol no és suficient per especificar. S'ha d'especificar la temperatura a la qual es fa la mesura. S'ha d'especificar una placa calefactora de precisió amb un TIR mesurat a temperatura ambient (amb una deriva coneguda i acceptable a la temperatura de funcionament), o millor, mesurat a la temperatura de funcionament prevista. Passos del procés per obtenir un TIR de precisió Per assolir un estàndard TIR de menys de 0,025 mm, es requereix una sèrie d'activitats de fabricació ben pensades. 1. Material en blanc alleujat de tensió Abans de qualsevol mecanitzat de precisió, la matèria primera, normalment aliatge d'alumini (p. ex.. 6061-T6 o 7075) o acer inoxidable (p. Les tensions residuals a la-barra o planxa rebuda són habituals, a causa de la laminació o l'extrusió. Aquestes tensions es poden alleujar amb un remull (per exemple, 2-4 hores a 340 ºC per a l'alumini o 600 ºC per a l'acer) i un refredament lent. Sense aquest procés, el mecanitzat posterior desequilibrarà el camp d'esforços i la placa es deformaria quan l'escalfador s'activa. 2. Mecanitzat desbast i incrustació d'escalfadors La placa es mecanitza desbastant fins a unes dimensions properes a les netes. Els elements d'escalfament es col·loquen (per exemple, colat en un motlle de sorra per colat-en escalfadors o premsat en solcs mecanitzats). Aquesta etapa comporta noves pressions a causa de la diferència d'expansió tèrmica entre la funda de l'escalfador i el material de la placa. Per a aplicacions TIR precises, l'escalfador sovint es col·loca en un nucli d'alumini independent i es torna a alleujar l'esforç-abans de l'alleujament de la superfície final. 3. -Alleujament de la tensió tèrmica-post del muntatge Un cop els elements calefactors estan completament implantats o subjectats, el conjunt de la placa sencer rep un altre cicle d'alleujament de l'estrès. Això és important. En aquest cicle els propis elements s'escalfen a una temperatura superior a la temperatura de servei especificada i la calor que generen envelleix artificialment el conjunt i relaxa les tensions diferencials. Això de vegades s'anomena "cicle tèrmic" o "pre-estabilització". 4. Mòlta amb precisió La superfície de treball es rectifica amb una rectificadora de superfície de gran-format o una rectificadora de doble disc. La mòlta elimina només els últims 0,2 a 0,5 mm de material i produeix un acabat superficial (Ra) de 0,8 µm o més i una planitud que s'aproxima a la capacitat de la màquina. En configuracions regulades, una rectificadora de superfície contemporània pot produir un TIR<0.010 mm for plates up to 600 mm in diameter. 5. Optional Final Lapping Lapping is essential for TIR specs tighter than 0.010 mm (i.e., <0.005 mm over 200 mm). Lapping employs a fine abrasive slurry between the plate and a precise flat lapping plate. It is a long procedure but near-optical flatness can be obtained. Semiconductor hot chucks or optical bond platen are often required to have lapped surfaces. Engineering Drawing – TIR Specification To effectively acquire a heating plate that meets the accuracy requirements, the TIR specification must be unambiguous and thorough. A typical callout on a drawing might be: The Total Indicated Runout (TIR) of the working surface shall not be greater than 0.020 mm as measured to ASME Y14.5M-1994. The measurement shall be made with the plate stabilised at 100 °C ± 5 °C over the whole working surface as described by diameter D. "No local deviation greater than 0.010 mm over any 25 mm square area is permitted." Key elements: The TIR limit. The measurement standard (ASME Y14.5 or ISO 1101).. . • Measurement temperature (room temperature, operating temperature or both). The TIR zone applicable (for example, "over the whole working surface" or "in the central 80% of the plate"). Any other "local flatness" requirement (e.g., waviness control) Never give a TIR without the temperature. A flat plate at room temperature may no longer be flat at 150 °C. For sensitive applications the manufacturer should be compelled to submit a flatness map at both ambient and operating temperature. Matching TIR to Application The TIR required must be defined by the thickness tolerance and compliance of the part being machined. Thick, inflexible parts (e.g. metal sheets >3 mm) - Un TIR de 0,05-0,10 mm sobre 500 mm pot ser acceptable, ja que l'article s'ajustarà o la pasta tèrmica omplirà els buits. Pel·lícules o plaques primes i flexibles (<0.5mm) - TIR must be <0.025mm. • Common TIR for semiconductor wafers produced on a vacuum chuck is <.010 mm. Optical contacts (no adhesive) – <0.005 mm TIR (lapping necessary). Laminating with rigid substrates - TIR <0.020 mm over the laminate area to avoid voids. Verification Procedures TIR needs to be verified by the buyer or end user upon receipt. A easy way is to utilise a dial test indicator on a surface plate. The heating plate is supported by three supports of precise height adjustment calibrated to a reference plane. The indicator is walked in a grid-like manner. For larger plates (>500 mm) una màquina de mesura de coordenades (CMM) o un interferòmetre làser ofereix dades més precises. Si la placa s'especifica amb TIR mesurat a la temperatura de funcionament, s'ha de realitzar una prova de calefacció controlada. La placa s'activa fins al punt de consigna de servei i es deixa estabilitzar (generalment 30-60 minuts) i el TIR es registra amb una indicació resistent a la calor-o un sensor de desplaçament làser sense-contacte. Es requereix una correcció per a l'expansió tèrmica del suport indicador. Errors comuns a l'especificació de TIR sobre-especificació: especificació de TIR<0.005mm when the application only needs 0.05mm increases expense unnecessarily (lapping is expensive). Forgetting temperature - A TIR without a defined measuring temperature is unclear. A manufacturer may deliver a room temperature flat plate that bows in service to an unacceptable degree. Mounting Holes Ignored - The TIR standard should indicate if the measurement includes the area right above the fastener holes or if such areas are omitted. Overtightening of bolts leads to local distortion of the surface. There should be specific torque values for mounting shown on the drawing. No local flatness control - A plate can meet a global TIR of 0.025 mm and still have a sharp 0.020 mm hump over a 10 mm circle - a "waviness" concern. This is offset by further calls for "flatness over any 25 mm square". Cost Impact on TIR of Tightening The TIR specification and the manufacturing cost are not linearly related. A stress relieved plate stock can be milled by standard methods to a TIR <0.05 mm plate requiring little grinding. If the TIR is less than 0.025 mm, special cycles of grinding and stress alleviation are necessary. At TIR <0.010 mm, lapping and numerous cycles of thermal stabilisation are necessary, increasing or triple the cost. Thus, the engineer designing the plate should pick the least permissible TIR based on process physics, then add a little safety margin, but not specify a needlessly tight tolerance. Material Selection Aluminium (6061 or 7075) is the most frequent heating plate material because of its excellent thermal conductivity and ease of machining. Aluminium, however, has a rather high coefficient of thermal expansion (23 µm/m·K) and poor rigidity. Large aluminium plates (e.g. 600 mm diameter) will sag under their own weight unless they are adequately supported. For very tight TIR requirements, steel (16 µm/m.K) or aluminum-silicon carbide composites can be employed although they are heavier or more expensive. Summary : The Drawing as Contract for Performance Properly specifying the total suggested runout of the heating plate assures that the platen will really accomplish its job of providing uniform contact and heat, and that the manufacturing process is capable of meeting that spec. A drawing is a performance contract and the precise standards must be explicitly defined. The engineer gives the manufacturer a clear goal by defining the TIR limit, the measurement temperature, the area where the application is to be used and any local flatness requirements. The outcome is a heated plate that is predictable in the precision application -- be it glueing optical lenses, manufacturing semiconductor wafers or laminating flexible circuits. Flatness is not a luxury in such job. It is a process enabler.