Jaké jsou kritické konstrukční vlastnosti topné desky pro vakuový horký lis?

Horký lis ve vakuové komoře představuje -dvojitý problém. Musí vyvíjet stejnoměrné teplo a tlak pro spojování materiálů, aniž by kontaminoval neposkvrněné vakuum odplyňujícími organickými látkami nebo zachyceným plynem. Normální atmosférické topné desky nepřežijí v této nedotčené, vysoce-atmosféře. Navrhování topné desky vakuového horkého lisu od začátku s ohledem na čistotu materiálu, hermetické utěsnění a distribuci tepla. V aplikacích, jako je kompozitní spojování leteckých součástí, zapouzdření polovodičů nebo difúzní spojování kovů, se deska sama stává klíčovým procesním nástrojem.

Zvláštní požadavky na vakuové prostředí
Ve vakuové komoře nedochází k žádné atmosférické konvekci. Přenos tepla z desky na obrobek může probíhat pouze vedením (v kontaktních bodech) a sáláním. Díky tomu je rovinnost a tepelná rovnoměrnost povrchu desky ještě důležitější než na vzduchu. Jakýkoli prostor mezi deskou a obrobkem omezuje účinný kontakt a způsobuje teplotní rozdíl.

Mezitím je vysavačové prostředí vysoce náchylné na znečištění. Odplyňování-vypouštění zachycených plynů, vlhkosti nebo těkavých organických sloučenin z materiálů-může narušit úroveň vakua, kontaminovat obrobek nebo poškodit vakuové pumpy. Konstrukce topné desky ve vakuovém horkém lisu by tedy měla mít materiály s extrémně -nízkým odplyněním a těsnost-.

Kritický výběr materiálů pro nízké odplyňování
Těleso desky by mělo být vyrobeno z kovu vhodného pro vakuum. Mezi oblíbené možnosti patří:

Nerezová ocel 316L - Nejoblíbenější varianta. Má nízké odplyňování, vynikající mechanickou pevnost při vysokých teplotách a odolnost proti oxidaci při vakuovém vypalování. Obvykle je povrchová úprava leštěna nebo elektrolyticky leštěna, aby se minimalizovala plocha povrchu a dále se omezilo odplynění.

Speciálně upravené hliníkové slitiny (6061 nebo 7075) - Běžný hliník není vhodný pro vysavače kvůli jeho silnému poréznímu oxidovému povlaku, který shromažďuje vlhkost. Pro aplikace se střední teplotou (méně než 250 stupňů) však lze použít specifické čištění a vakuové vypalování hliníku. . 316L je mnohem výhodnější pro ultra-vysoké vakuum (UHV).

Inconel nebo jiné superslitiny - Slitiny Inconel nebo Haynes jsou určeny pro aplikace nad 500 stupňů, kdy nerezová ocel ztrácí pevnost. Ty mají velmi nízký tlak par při vysoké teplotě.

Všechny vnitřní součásti, včetně topných prvků, izolace, termočlánkových drátů a těsnících materiálů, musí splňovat limity odplynění stanovené normami jako ASTM E595 (pro vesmírné a vakuové aplikace) s celkovou ztrátou hmotnosti (TML) 1,0 % a sesbíraným těkavým kondenzovatelným materiálem (CVCM) 0,1 %.

Materiály, kterým je třeba se vyhnout:

Standardní hliník (vysoké odplynění, porézní oxid).

Plasty nebo polymery (kromě několika málo používaných druhů s vysokou-teplotou a nízkým odplyněním, jako je Vespel nebo Kapton).

Viton nebo konvenční elastomery (silikon nebo fluorosilikon mohou být přijatelné v omezeném nastavení; obecně jsou preferována všechna-kovová těsnění).

Vakuová topná tělesa-Kompatibilní, hermeticky uzavřené
Deska je osazena topnými prvky, které je třeba hermeticky uzavřít, aby se zabránilo úniku plynu nebo částic zevnitř. Přijatelné návrhy jsou:

Topné kabely s minerální -izolací (MI) - Odporový drát (NiCr nebo ekvivalentní) zapouzdřený ve zhutněném prášku oxidu hořečnatého (MgO) v bezešvém kovovém plášti (Inconel, 316SS nebo Alloy 600). Ve výrobě je MgO suchý a vakuově odplyněný. Konce pláště jsou svařeny.

Standardní kazetové ohřívače mají často organická koncová těsnění, která odplyňují. Ohřívače patron s navařenými uzávěry Pro servis vysavače lze použít pouze varianty s plně navařenými koncovými uzávěry a výplní MgO.

Zapouzdřené odporové prvky - U tenkých desek lze ohřívače z leptané fólie hermeticky zapouzdřit mezi dvě kovové desky pomocí laserového svařování po obvodu.

Vnitřní kabeláž spojující topná tělesa s průchodkami musí být izolována pomocí materiálů s nízkým odplyněním. Celá trasa je přednostně minerální izolovaný kabel. Pokud je vyžadován ohebný drát, je vhodná izolace PTFE nebo Kapton (polyimid), ale musí být důkladně vakuově vypálena. Žádné standardní PVC nebo nylonové dráty.

Elektrické průchodky a termočlánek (hermetické)
Jakékoli elektrické napájení nebo vedení senzorů, které jdou z atmosféry mimo vakuovou komoru a do desky, musí procházet vakuovou bariérou. To se provádí pomocí keramických-do{2}}kovových průchodek. Standardní deska lisu za tepla ve vakuovém lisu se vyznačuje:

Napájecí průchodky - Dva nebo více vodičů (v závislosti na jedno- nebo tří{2}}fázovém ohřevu, podle potřeby) připájené do kovové příruby nebo přímo do tělesa desky Keramický izolátor je obvykle tvořen buď 95% nebo 99% oxidem hlinitým a je ke kovu hermeticky utěsněn.

Průchodky pro termočlánky - Prodloužení termočlánku Finewire (typ K nebo J) prochází vakuotěsnou armaturou, obvykle s malým keramickým-k{2}}kovovým těsněním.

Tyto průchodky musí být dimenzovány na pracovní teplotu desky (obvykle 300-500 C pro aplikaci vakuového horkého lisu) a diferenční tlak (1 atm venku, vakuum uvnitř). Jsou testovány na těsnost pomocí heliového hmotnostního spektrometru na rychlost úniku menší než 10⁻⁹ mbar·L/s.

Jakákoli dutina v desce- – například slepý otvor pro termočlánek nebo kapsa se závitem pro upevňovací prvek – může být „virtuální netěsností“. Důležité: Plyn zachycený v takových dutinách bude postupně unikat do vakua, čímž se prodlouží doba vyčerpání a sníží se základní tlak. Architektura musí umožňovat větrací průchody do těchto dutin, které je spojí s vnějším prostředím, nebo je nutné je zcela vypustit. Například jímka termočlánku je obvykle odvětrávána malým otvorem (průměr 0,5–1,0 mm) vyvrtaným k povrchu desky, což umožňuje evakuaci zachyceného vzduchu.

Tepelná stejnoměrnost za podmínek vakua
V nepřítomnosti konvekčního proudění vzduchu, které napomáhá distribuci tepla, musí deska záviset pouze na vedení a vnitřním záření, aby se dosáhlo rovnoměrné povrchové teploty. Klíčové konstrukční prvky pro jednotnost:

Optimalizované uspořádání topného tělesa - Topné prvky jsou umístěny na základě analýzy konečných prvků (FEA) tak, aby odchylka teploty pracovního povrchu byla v rozmezí ±2–5 stupňů . Často existuje několik nezávisle řízených ohřívačů a termočlánků pro zónovou regulaci.

Silné těleso desky s vysokou vodivostí - Silnější deska (např. 25–40 mm) zlepší boční distribuci tepla. Existuje však kompromis mezi tloušťkou a hmotností a tepelnou odezvou.

Rovinnost a leštění povrchu - Horní kontaktní plocha je vybroušena do roviny s přesností 0,025–0,05 mm (0,001–0,002 palce) nad plochou desky. Dobrá povrchová úprava (Ra < 0,8 μm) zajišťuje efektivní tepelný kontakt s obrobkem a snižuje povrchovou plochu pro odplynění.

Izolace za deskouNe-pracovní strana desky je běžně izolována deskami z keramických vláken s nízkým -odplyněním (např. křemičitá nebo aluminová vlákna), aby odváděly teplo dopředu. Tyto desky se musí vypálit, aby se odstranila pojiva a těkavé látky.

Ve skutečnosti se desky před použitím často vypalují ve vakuu, často při 150–300 stupních ve vakuu po mnoho hodin, aby se odstranila absorbovaná vlhkost a zbytkové nečistoty. Po vypálení dosáhla deska stabilního stavu nízkého odplynění.

Kontrolní seznam návrhu ohřívací desky vakuového lisu
Důkladný kontrolní seznam vakuového horkého lisu pro návrh topné desky je následující:

Kategorie Metoda ověření kritického prvku
Body material 316L stainless steel (or Inconel for >500 stupňů )Materiálový certifikát Povrchová úprava (elektropolis)
Hermeticky uzavřený kabel s minerální-izolací (MI) Topný článekBez organických koncových těsnění, svařovaný plášť
Vnitřní izolace Zhutněný MgO (suchý, vakuově odplyněný) Údaje o odplynění výrobcem vysavačem
FeedthroughsCeramic-na{1}}kov, rychlost úniku<10-9 mbar·L/sHelium leak test