Iedereen die wel eens op de vloer van een metrologielaboratorium heeft doorgebracht, weet dat de basis onder acoördinaten meetmachineis net zo belangrijk als de sensorkop erbovenop. Een sonde met een herhaalbaarheid tot sub-micron is slechts zo goed als het oppervlak waarop hij zich bevindt. Toch wordt de selectie van basismaterialen vaak gezien als een bijzaak, die wordt bepaald door gewoonte of door wat de laatste leverancier ook heeft aangeboden, en niet door de feitelijke fysica van de toepassing.
Er zijn eigenlijk drie kandidaten in het spel voor de meeste precisieplatforms: natuurlijk graniet, gietijzer en gelast of machinaal bewerkt staal. Elk heeft een legitieme plaats in industriële apparatuur. De verschillen komen niet tot uiting in de kopnummers op een specificatieblad, maar in de manier waarop elk materiaal zich gedraagt zodra het de fabriek verlaat en in een echte werkplaats gaat leven.
Thermisch gedrag is waar de verschillen beginnen
Staal en gietijzer zijn metalen en metalen bewegen. Een stalen laswerk met een thermische uitzettingscoëfficiënt van ongeveer 11–12 µm/m·graad zal in de loop van één dag zichtbaar afwijken in een werkplaats waar de temperatuur tussen de ochtend en de middag zelfs maar een paar graden schommelt. Voor frames voor houtbewerking of algemene werktuigmachines is die afwijking niet relevant. Voor een CMM met tienden-van-a-microntoleranties is dit het verschil tussen een passerend onderdeel en een afgewezen onderdeel.
De thermische uitzettingscoëfficiënt van graniet bedraagt grofweg 5–8 µm/m·graad, afhankelijk van de specifieke steengroeve en minerale samenstelling, en nog belangrijker: graniet heeft een lage thermische geleidbaarheid. Het absorbeert en geeft warmte langzaam af, wat betekent dat het niet "terugdeinst" telkens wanneer een deur opengaat of een machine op twee meter afstand aanslaat. In klimaat-kamers doet dit er minder toe, maar heel weinig productievloeren zijn 24 uur per dag perfect klimaatgecontroleerd-, en zelfs in ruimtes waar dat wel het geval is, creëren transiënte warmtebronnen (operatoren, verlichting, aangrenzende apparatuur) nog steeds lokale gradiënten die een metalen basis vrijwel onmiddellijk zal registreren.
Demping en trillingen
Gietijzer heeft de reputatie goede trillingsdemping te hebben, en het wordt verdiend - de grafietvlokken in de microstructuur dissiperen energie effectief, en daarom blijft het de standaardkeuze voor veel werktuigmachines. Maar natuurlijk graniet, dat een natuurlijk geconsolideerde kristallijne structuur is in plaats van een gegoten of gelaste structuur, vertoont doorgaans een intern dempingsvermogen dat meerdere malen hoger is dan dat van gietijzer in vergelijkbare geometrieën. Dat is een van de redenen waarom granieten oppervlakteplaten vanaf het midden van de -20e eeuw de standaardreferentiestandaard werden in metrologielaboratoria. Het was geen nostalgie, maar omdat een granieten plaat sneller bezinkt nadat hij is verstoord en stiller blijft terwijl er metingen worden gedaan.
Staal, vooral gelast staal, presteert hier het zwakst, tenzij het zwaar geribbeld is of gevuld is met dempingsmiddel, omdat gelaste verbindingen hun eigen resonanties en restspanningen introduceren die in de loop van maanden of jaren heel langzaam kunnen ontspannen - precies het soort langzame dimensionale kruip die je bij een referentie-instrument niet wilt.
Dimensionale stabiliteit op lange termijn-
Dit is degene die mensen verbaast die niet met alle drie de materialen hebben gewerkt gedurende een levenscyclus van meerdere- jaar apparatuur. Gietijzer en staal zijn beide onderhevig aan een geleidelijke vermindering van de interne spanningen door gieten of lassen. Fabrikanten beheren dit met stress-verminderende uitgloei- en verouderingsprocessen, en een goed-gemaakt gietijzeren onderstel kan zeer stabiel zijn - maar 'goed-gemaakt' vereist een langzame, bewuste koel- en verouderingscyclus die veel goedkopere-leveranciers overslaan of inkorten om tijd te besparen.
Graniet heeft dit probleem niet op dezelfde manier, omdat het geologisch gedurende miljoenen jaren is gevormd en niet dezelfde soort interne gietspanning met zich meebrengt. Wat het wel nodig heeft, is een correcte bediening: goede steunpunten tijdens het slijpen, gecontroleerde vochtigheid tijdens het leppen en een leverancier die daadwerkelijk begrijpt waar de natuurlijke korrel van een plaat loopt. Een granieten plaat die zonder aandacht voor de korrelrichting is geslepen, kan na verloop van tijd nog steeds enigszins kromtrekken, alleen om andere metallurgische redenen dan een metalen plaat.
Kosten, gewicht en praktische afwegingen-
Niets van dit alles betekent dat graniet elke toepassing wint. Graniet is bros - het houdt niet van schokken of vallen, en het kan niet ter plaatse worden getapt, geboord of gelast- zoals staal dat kan. Voor het verplaatsen van machineframes, portalen of iets anders waarvoor achteraf bevestigingspunten met schroefdraad moeten worden toegevoegd, is staal of gietijzer meestal nog steeds de juiste keuze. Graniet heeft in sommige geometrieën ook een grotere dichtheid per eenheid stijfheid, wat een voordeel (massa helpt demping) of een nadeel (moeilijker te verplaatsen, hogere verzendkosten) kan zijn, afhankelijk van de installatie.
De praktische regel die de meeste metrologie-ingenieurs gebruiken: als de apparatuur meet in plaats van beweegt, en als het een referentietolerantie over jaren in plaats van maanden moet aanhouden, is graniet meestal de extra aanschafkosten waard. Als de apparatuur snijdt, perst of ter plaatse moet worden aangepast, blijft gietijzer of staal de verstandigste keuze.
Wat u aan een leverancier moet vragen
Welk materiaal ook op de offerte terechtkomt, een paar vragen hebben de neiging om een serieuze leverancier te onderscheiden van een leverancier die dat niet is: wat is de werkelijke dichtheid van het gebruikte graniet en kunnen ze een testcertificaat van een molen of steengroeve overleggen? Marmer wordt soms vervangen door graniet door minder nauwgezette fabrikanten, omdat het goedkoper is en oppervlakkig vergelijkbaar is -, maar marmer is zachter, poreuzer en qua afmetingen minder stabiel, dus de verificatie van de dichtheid en hardheid is van belang. Vraag bij metalen basissen naar het spanningsverlichtingsproces- en hoe lang het gietstuk heeft verouderd voordat het uiteindelijk werd bewerkt. En vraag voor welk basismateriaal dan ook welke kalibratiestandaard werd gebruikt om de vlakheid na afwerking te verifiëren - een DIN 876-, ASME B89.3.7- of JIS B7513-kwaliteit moet expliciet worden vermeld, niet alleen maar impliciet.
Bij UNPARALLELED worden onze granieten basiscomponenten in eigen-huis bewerkt en gelept met behulp van instrumenten die herleidbaar zijn tot nationale metrologie-instituten, en elke plaat wordt geleverd met een kalibratiecertificaat. Maar ongeacht wie de basis levert, de onderliggende fysica verandert niet - en het begrijpen ervan is de eerste stap naar het specificeren van apparatuur die over vijf jaar nog steeds tolerantie biedt, en niet alleen op de dag dat deze wordt geïnstalleerd.