Bei der Konstruktion von Präzisions-Druckluft-Schwimmplattformen spielt die Wahl des Fundaments eine entscheidende Rolle für die Gesamtleistung der Plattform. Granit- und Gusseisenfundamente weisen jeweils spezifische Eigenschaften auf und unterscheiden sich deutlich in Schlüsselparametern wie Stabilität, Wartungsgenauigkeit, Langlebigkeit und Kosten.
Erstens, Stabilität: natürliche dichte und metallische Struktur
Nach Jahrmillionen geologischer Veränderungen verbindet sich Granit eng mit Quarz, Feldspat und anderen Mineralien zu einer sehr dichten und gleichmäßigen Struktur. Bei äußeren Einflüssen, wie beispielsweise den starken Vibrationen durch den Betrieb großer Anlagen in der Fabrikhalle, kann der Granitsockel diese dank seiner komplexen Kristallstruktur effektiv abschirmen und dämpfen. Dadurch lässt sich die Vibrationsamplitude der Präzisions-Druckluft-Schwimmplattform um mehr als 80 % reduzieren. Dies bildet eine stabile Grundlage für den reibungslosen Betrieb der Plattform und gewährleistet so eine ruckfreie Bewegung bei hochpräzisen Bearbeitungs- oder Prüfprozessen. Beispielsweise wird im Fotolithografieprozess der Chipherstellung die präzise Charakterisierung der Chipstrukturen sichergestellt.
Das Gusseisenfundament besteht aus einer Eisen-Kohlenstoff-Legierung, wobei der Graphit im Inneren in Form von Lamellen oder Kugeln verteilt ist. Obwohl es eine gewisse Schwingungsdämpfung aufweist, ist seine Strukturhomogenität im Vergleich zu Granit geringer. Bei starker und anhaltender Vibration kann das Gusseisenfundament die Schwingungsbeeinträchtigungen nicht so stark reduzieren wie das Granitfundament. Dies kann zu geringfügigen Abweichungen in der Bewegung der Präzisions-Druckluftplattform führen und deren Präzision bei ultrapräzisen Anwendungen beeinträchtigen.
Zweitens, Genauigkeitserhalt: die natürlichen Vorteile der geringen Wärmeausdehnung und die Herausforderung der thermischen Veränderung von Metallen
Granit ist bekannt für seinen sehr niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten von üblicherweise 5–7 × 10⁻⁶/℃. Selbst bei Temperaturschwankungen ändert sich die Größe der Granit-Präzisionsbasis kaum. In der Astronomie wird die hydrostatische Präzisionsplattform zur Feinjustierung von Teleskoplinsen mit einer Granitbasis kombiniert. Selbst bei erheblichen Temperaturunterschieden zwischen Tag und Nacht gewährleistet sie die Positioniergenauigkeit der Linse im Submikrometerbereich und hilft Astronomen so, die subtilen Dynamiken ferner Himmelskörper zu erfassen.
Der Wärmeausdehnungskoeffizient von Gusseisen ist relativ hoch und liegt üblicherweise zwischen 10 und 20 × 10⁻⁶/°C. Bei Temperaturänderungen verändert sich die Größe des Gusseisenfundaments deutlich, was leicht zu thermischer Verformung der präzisionsgelagerten, druckluftgelagerten Plattform führen und somit deren Bewegungsgenauigkeit beeinträchtigen kann. Beim Schleifen temperaturempfindlicher optischer Linsen kann die Verformung des Gusseisenfundaments unter Temperatureinfluss die Schleifgenauigkeit der Linse über den zulässigen Bereich hinaus beeinträchtigen und somit deren Qualität mindern.
Drittens, Haltbarkeit: hohe Härte von Naturstein und Metallermüdung
Granit ist sehr hart (Mohs-Härte 6–7) und weist eine gute Verschleißfestigkeit auf. In materialwissenschaftlichen Laboren wird häufig die Präzisions-Druckluft-Schwimmplattform mit Granitsockel eingesetzt. Dieser schützt effektiv vor langfristigem Reibungsverlust und verlängert im Vergleich zu herkömmlichen Sockeln die Wartungsintervalle der Plattform um mehr als 50 %. Dadurch werden die Instandhaltungskosten gesenkt und die Kontinuität der wissenschaftlichen Forschung gewährleistet. Allerdings ist Granit relativ spröde und kann bei Stößen brechen.
Das Gusseisenfundament weist eine gewisse Zähigkeit auf und ist unter Belastung nicht leicht zu brechen. Bei der lang andauernden, hochfrequenten Hin- und Herbewegung einer Präzisions-Druckluft-Schwimmplattform neigt das Gusseisen jedoch zu Materialermüdung. Dies führt zu Veränderungen der inneren Struktur und beeinträchtigt die Bewegungsgenauigkeit und Stabilität der Plattform. Gleichzeitig ist Gusseisen in feuchter Umgebung anfällig für Rost und Korrosion, was seine Lebensdauer verringert. Granitfundamente hingegen sind korrosionsbeständiger.
Viertens, Herstellungskosten und Verarbeitungsschwierigkeiten: Herausforderungen beim Abbau und der Verarbeitung von Naturstein sowie Schwellenwerte beim Metallguss.
Der Abbau und Transport von Granitrohstoffen sind komplex, und die Verarbeitung erfordert hochmoderne Ausrüstung und Technologie. Aufgrund seiner hohen Härte und Sprödigkeit neigen Schneid-, Schleif- und Polierprozesse sowie andere Bearbeitungsschritte zu Einstürzen, Rissen und hohem Ausschuss, was zu hohen Herstellungskosten führt.
Der Sockel aus Gusseisen wird mit einem ausgereiften Gießverfahren, einer breiten Rohstoffbasis und vergleichsweise geringen Kosten hergestellt. Durch die Verwendung einer Form ist eine Massenproduktion mit hoher Produktionseffizienz möglich. Um jedoch die gleiche hohe Präzision und Stabilität wie beim Granitsockel zu erreichen, sind die Anforderungen an den Gießprozess und die Nachbearbeitung äußerst streng. Präzisionsbearbeitung und Wärmebehandlung etc. sind erforderlich, was die Kosten deutlich erhöht.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Granit-Präzisionsfundamente erhebliche Vorteile in Anwendungsszenarien von Präzisions-Druckluft-Schwimmplattformen bieten, die hohe Präzision, Stabilität und Verschleißfestigkeit erfordern; Gusseisenfundamente hingegen weisen gewisse Vorteile hinsichtlich Kosten und Robustheit auf und eignen sich für Anwendungen, bei denen die Genauigkeitsanforderungen relativ gering sind, Kosteneffizienz im Vordergrund steht und die Vibrations- und Temperaturumgebung relativ stabil ist.
Veröffentlichungsdatum: 09.04.2025