Bien que nous ne les voyions pas à chaque coin de rue, les résultats de leur travail nous entourent partout. La qualité et la rapidité de fonctionnement fournies par les machines laser dans de nombreuses industries restent inaccessibles pour les méthodes de traitement traditionnelles. Marqueurs laser, graveurs, machines à souder et couper les métaux, etc. La liste est vraiment énorme et les lasers continuent de conquérir le monde.
Mais, Petka, il y a une nuance. Comme toutes les histoires de haute technologie, la technologie laser a déjà réussi à faire naître suffisamment de rumeurs et de mythes sur ses possibilités illimitées. Les possibilités là-bas sont vraiment une voiture (ou deux), mais personne n'a annulé la physique.
Armé d'un vif désir de savoir comment tout cela fonctionne, il a été décidé de soumettre des commentaires au bureau de Saint-Pétersbourg de la société Laser Center. Ils développent des graveurs et des marqueurs laser depuis 15 ans et comprennent probablement quelque chose à leur sujet.
Beaucoup de photos sous la coupe.
Voir la racine
Nous devons immédiatement nous rappeler la chose la plus importante de toute cette histoire de gravure et de marquage: seuls les lasers à fibre peuvent nous donner les paramètres nécessaires pour les applications industrielles dans le traitement des métaux. Il n'y a pas encore de véritable alternative à eux. Les lasers à gaz, à l'état solide et autres fonctionnent bien, mais dans d'autres applications.
La question se pose: pourquoi les lasers à fibre sont-ils si remarquables? Tout d'abord, il s'agit d'une excellente qualité de rayonnement optique. Après 100 000 heures de fonctionnement, la variation des performances du laser sera soit négligeable, soit pas du tout. Bien que cela ne signifie pas que vous ne pouvez pas du tout le suivre.
Mini marqueur 2. La machine Laser Center la plus populaire. Le laser est caché dans une boîte rouge ci-dessous.
Mais l'essentiel est la longueur d'onde du rayonnement généré et comment il interagit avec les matériaux. Le laser canonique au dioxyde de carbone fonctionne à des longueurs d'onde de 9,6 à 10,6 microns. Ce rayonnement est parfaitement absorbé par la matière organique, ils conviennent donc mieux à un usage médical que les lasers à fibres fonctionnant à environ 1-1,5 microns. À strictement parler, la longueur d'onde est, comme un passeport, un document d'identification avec un laser. Selon la longueur d'onde, les matériaux interagissent différemment avec le rayonnement. Il n'y a que trois options: le rayonnement peut être absorbé, réfléchi ou ignoré. Un exemple de manuel est le verre qui absorbe les ondes UV mais transmet parfaitement le spectre visible. La variante qui nous intéresse: un rayonnement d'une longueur d'onde de 1,064 μm est presque entièrement absorbé par l'acier, et d'une longueur d'onde de 10,6 μm il est réfléchi. Et si nous prenons du plexiglas, tout sera exactement le contraire (10,6 - absorbé, 1,064 - passe).
Plaque de démonstration de la machine Mini marqueur 2. Ces plaques sont conçues pour montrer les capacités maximales de la machine (qualité d'image, travail avec la couleur, etc.) et sont faites avec vous.
Et le troisième paramètre important est le diamètre du spot au foyer de l'irradiation. Avec la même puissance rayonnée et la même distance focale, le laser à fibre a un point plus petit, et donc la densité d'énergie absorbée est environ 100 fois plus élevée (zone du cercle ) que -laser. D'où la commodité encore plus grande de travailler avec des métaux.
Eh bien, à la fin - les petites dimensions du corps rayonnant. Surtout par rapport aux lasers à gaz.
Et afin de terminer l'introduction sur une note majeure et de susciter la fierté de nos compatriotes: le leader dans l'industrie du développement et de la production de lasers à fibre est IPG Photonics Corporation, créé par Ph.D. Gapontsev. En général, vous pouvez accepter par défaut: vous voyez le laser, recherchez la trace des physiciens russes =)
Le processus de gravure de la plaque de la photo précédente. Cela se fait en quelques minutes seulement.
Soit dit en passant, le marché des lasers à fibre est désormais estimé à environ 2 milliards de dollars, dont 1,5 IPG. Et un petit morceau de cette société NTO "IRE-Polyus", à partir de laquelle les lasers à fibre ont commencé, prend la dixième place parmi les exportateurs non-ressources en Russie. Neuvième - Rosoboronexport. Tirez vos propres conclusions.
Matériel
Maintenant, comprenons ce qu'est un laser à fibre.
Quand il s'agit de , rubis, fibre ou tout autre laser, désigne le milieu actif qui génère le rayonnement laser. Trois minutes sur ce qu'est le laser lui-même.
Vous pouvez couper de si jolies choses en bois et en plastique avec un laser
En 1964, les scientifiques soviétiques Nikolaï Basov et Alexander Prokhorov, en collaboration avec l'américain Charles Townes, ont reçu le prix Nobel pour la création d'un laser. Ils ont découvert que dans certaines substances, lorsqu'elles sont irradiées avec de l'énergie électromagnétique, les électrons commencent à se déplacer vers des orbites d'énergie supérieure. Et lors de la transition inverse vers une orbite d'énergie inférieure, ils émettent des photons avec une énergie d'un quantum. Et qu'est-ce qu'un quantum? C'est l'énergie d'un photon =) Alors la magie principale se produit: si un photon volant frappe un autre électron qui est à un niveau d'énergie élevé, un nouveau photon est généré qui est complètement identique à celui qui entre, et il volera dans la même direction. Ensuite, ces deux photons en éliminent quatre, ils en éliminent huit, et ainsi de suite, jusqu'à ce que le soi-disant obturateur soit ouvert à la limite de la substance active, et un flux de rayonnement composé exactement des mêmes photons vole hors de la substance. Tout cela se produit à la vitesse de la lumière, par conséquent, dans les lasers modernes, la durée d'impulsion peut être mesurée en pico et femtosecondes (respectivement -12 et -15 degrés).
La toute première machine de gravure (littéralement) vendue. Il a été spécifiquement recherché et racheté.
Maintenant un peu de maths. Supposons que nous ayons un laser à fibre de moyenne puissance de 10 W avec une largeur d'impulsion de 100 nanosecondes (-9) et une fréquence d'impulsion de 20 kHz. L'énergie d'une impulsion est de 1 mJ. Le diamètre du spot est de 50 microns.
Et si vous regardez attentivement cette impulsion, il s'avère que sec nous avons transféré 1 mJ. Et si vous travaillez de cette façon sans vous arrêter une seconde, nous obtenons 10 000 000 (fois) à 0,001 J (c'est l'énergie). 10000 watts au total. Vous pouvez imaginer ce que l'on ressent quand 10 kW sont pompés dans tous les 50 microns.
Ici, la technologie de la gravure profonde est élaborée pour obtenir des images volumétriques d'une clarté incroyable. Une sorte d'imprimante 3D au contraire. Le processus peut durer plusieurs jours, pendant lesquels le produit ne doit pas être touché. Par conséquent, en laboratoire, ils sont aussi lourds que possible.
Souvenez-vous maintenant des lasers chinois, qui donnent la tache plusieurs fois de plus. Si le rayon du spot est trois fois plus grand, sa zone est neuf fois plus grande, il s'avère que, toutes choses étant égales par ailleurs, le laser chinois fonctionnera non pas comme 10W, mais comme ~ 1W (c'est toujours un scénario positif).
Maintenant, un peu sur le laser à fibre lui-même. Il n'est pas difficile de deviner, ici le rôle du corps rayonnant est joué par un long morceau de fibre. Ce n'est pas tout à fait celui qu'Internet dirige vers vous maintenant, mais l'essence est la même, juste la structure de la fibre est très différente. Quelle est la beauté d'un laser à fibre - refroidissement élémentaire du milieu actif. Alors que les ingénieurs s'interrogent sur la tâche de refroidir uniformément un ballon à gaz ou un cristal entier, il n'y a aucun problème de ce type avec la chaîne optique. En fait, vous pouvez simplement l'enrouler autour d'une pièce ronde en aluminium, disons que c'est un radiateur, et cela a résolu le problème de refroidissement.
Que se passe-t-il à la fin. Mon appareil photo ne peut pas transmettre le degré de détail des images, mais croyez-moi - l'œil coupe littéralement leur netteté parfaite.
Un autre problème facilement résolu est le pompage de rayonnement. Une LED est soudée à la fibre, à travers le coupleur - une de plus, puis une autre et plus, et ainsi de suite autant de fois que vous le souhaitez, jusqu'à ce que nous obtenions le flux souhaité.
Problème d'argent
Pourquoi exactement les graveurs laser suscitent-ils le plus grand intérêt parmi les propriétaires de production? Curieusement, mais les gens ont une somme d'argent limitée et l'intérêt maximum est toujours la technologie la moins chère qui donne un résultat acceptable. Par conséquent, si nous prenons un millier de machines laser conventionnelles, 900 seront pour le marquage et seulement 100 pour la découpe, le soudage et d'autres technologies additives.
Machine de découpe laser au travail. Le produit final n'est pas un treillis, mais ce qui était dans des cellules vides.
Comme nous l'avons convenu plus tôt, très probablement, des modules laser de tous d'un même fabricant. Reste donc à apprendre comment en bénéficier. Pour ce faire, nous devons assembler une machine, qui est un champ marqueur et une barre verticale le long de laquelle le système optique se déplacera (collectivement, cela s'appelle un système de scanner). Cette mobilité est nécessaire pour définir l'orientation. Au contraire, l'objectif du système est constant, mais les produits marqués sont tous d'épaisseurs différentes, et cela doit être pris en compte.
Pourquoi ne pas fixer l'optique à un moment donné? La réponse est encore une fois en argent - il est beaucoup plus facile de fabriquer une tige avec un moteur que d’inventer un zoom. L'alimentation et le laser peuvent être cachés à la base de la machine, après quoi ils sont petits - changez tous les détails plusieurs fois afin de combiner au mieux et d'écrire un logiciel (plaque de sarcasme).
Un exemple de médecine. Une broche est installée dans le support, sur laquelle est gravé un microrelief très spécial, de sorte que les cellules des tissus environnants facilitent la fixation sur celui-ci. Une telle manipulation augmente parfois l'efficacité de la broche.
Dans le cas des machines laser center, tout est écrit sous Windows, car la plupart des industries utilisent les technologies Microsoft et il n'y a aucun désir d'organiser une guerre des formats avec elles. Le marché a décidé comment parler maintenant.
Question des surfaces courbes
Un lecteur attentif posera une question - vous dites que le produit doit être au point. Ainsi, sa surface doit être assez lisse. Mais regardez le stylo banal, il est rond! Comment mettre une inscription sur une telle surface courbe?
Absolument la bonne question!
J'ai complètement oublié comment cette chose s'appelle, mais ici tout est clair. En utilisant des méthodes traditionnelles, cela est très long, coûteux et difficile.
Pour ce faire, nous devons considérer le fonctionnement de la partie optique du graveur. Si nous mettons une lentille ordinaire dans la lentille, le faisceau sera focalisé dans la sphère. En principe, cela devrait être connu de tous depuis le cours de physique de l'école. Mais ce qu'ils ne disent pas à l'école, c'est qu'il est possible de concevoir l'objectif de telle sorte que le faisceau commence à se concentrer dans un plan. Bien sûr, plus près des bords de l'avion, le faisceau sera un peu flou, sans cela en aucune façon. Mais c'est déjà une conversation sur les tolérances et les erreurs. Vous pouvez lutter contre cela avec la création de lentilles de plus en plus complexes, mais économiquement cela n'est pas justifié (pas encore, mais encore).
Buse en plastique de haute technologie pour la mise au point. Mieux et plus facile dans le monde n'a pas encore été inventé. Sérieusement.
Comment alors y faire face? Pas question! Un bon faisceau laser au point nous permet d'atteindre une précision proche du micron. Même si cette précision tombe à quelques micromètres à la limite du champ de travail, nous ne la verrons pas sans microscope. Par conséquent, si nous avons besoin d'une précision très élevée, nous pouvons limiter artificiellement la taille du champ de travail afin que le faisceau reste dans les erreurs nécessaires. C'est une conclusion importante: la machine peut soit avoir une haute résolution, soit travailler avec des plans courbes. Des moissonneurs qui savent si bien à l'époque n'ont pas encore inventé.
Toutes les machines industrielles sont livrées avec leur lit, où une alimentation électrique ininterrompue est nécessairement intégrée. Il a exactement une tâche: se souvenir de la dernière action et éteindre la machine. Lorsque le courant est rétabli, le traitement se poursuit à partir du même point.
Un autre point important est la taille du spot laser. Peu importe la façon dont nous configurons l'optique et la source de rayonnement laser, nous n'obtiendrons jamais un point infiniment petit. Ce sera toujours un spot dont la taille dépend du système optique, de la longueur d'onde du laser et de la qualité de l'émetteur laser lui-même. C'est la raison même pour laquelle IPG Photonics est devenu presque un monopole sur le marché. Ils parviennent à fabriquer des lasers dans lesquels le spot peut être des dizaines de fois plus petit que les homologues chinois. Un endroit plus petit - plus de puissance dans sa zone, une efficacité plus élevée, etc. De plus, la distribution d'énergie dans le spot n'est pas uniforme, mais selon la distribution gaussienne, mais ici nous risquons de tomber dans la nature qui n'est plus nécessaire.
L'un des laboratoires de production. Les gens sont déjà partis, mais certains graveurs étaient occupés à leur travail. Travaillez plusieurs jours sans interruption pour eux en mode normal.
Par conséquent, avec un stylo (et d'autres surfaces incurvées de manière non critique), tout est simple - sans microscope, nous ne verrons pas que les bords de la gravure sur la pente seront un peu plus flous que sur la partie supérieure le long de laquelle la mise au point est définie. Sur l'argot des lasers, cela s'appelle le transport - la différence de hauteur avec laquelle cette machine peut fonctionner. Et il existe des produits (par exemple, les meilleurs filets utilisés en chirurgie vasculaire, appelés stents), où la précision est critique et ces produits sont exclusivement coupés à partir de flans plats. Il existe de nombreuses nuances spécifiques: si nous travaillons avec une électronique multicouche, où l'épaisseur de la couche atteint 10 microns, même le matériau de la surface sur laquelle se trouve la pièce doit être pris en compte. Avec une dilatation thermique de 2 mm par mètre tous les 20 degrés, le matériau du substrat est considéré comme inapproprié. Par conséquent, une dalle de granit (un certain type de granit) peut être utilisée comme substrat: un excellent coefficient thermique et une certaine résistance aux vibrations.
Un exemple de machine montée sur un lit de granit.
À propos des matériaux
Si vous regardez l'emballage de presque tout ce qui est fabriqué en usine, vous trouverez très probablement des traces du marqueur laser. Et très probablement, ce sera un code alphanumérique en noir. Est-ce à dire que lors du marquage, le laser brûle la couche supérieure du matériau, laissant derrière lui des cendres, des caries et des ténèbres? Non. Si nous supposons qu'il en est ainsi, de telles inscriptions auraient pu être facilement effacées, mais elles tiennent comme un gant. Voyons ce qui se passe.
Lors du développement de technologies nécessitant une précision au micron, tout est contrôlé par un microscope.
Dans le paragraphe précédent, nous avons déjà mentionné la taille du spot laser. Tout semble simple ici. Si vous voulez plus de puissance - faites une petite tache, vous n'avez pas besoin de grande puissance - vous pouvez faire grand. Mais pour une raison quelconque, nous avons oublié les matériaux avec lesquels le laser interagit, et les processus technologiques, qui sont nombreux: évaporation, refusion, etc. Mais maintenant, nous ne nous intéressons qu'à une chose: un changement dans la structure du matériau.
Numéro de la mort - l' eucariote met sa main juste sous le faisceau laser. Cependant, la main n'a pas été coupée, elle n'a pas brûlé, et rien ne s'est passé du tout: le rayonnement est flou, donc sa puissance est dispersée sur une grande surface. Mais s'il avait baissé la main ...
Alors que les physiciens recherchent la taille du spot, en regardant la distribution gaussienne (oui, encore une fois), les opticiens l'ont simplement attribuée. Où le rayonnement tombe fois, et est la limite de notre faisceau optique. Mais pour les gens ordinaires, cela une fois roulé blessé. Il est important pour nous de déterminer simplement le lieu (et ses frontières) où se déroule notre processus. Et puis toute l'attention portée à l'objet sur lequel on brille. Chaque matériau réagit différemment à différentes longueurs d'onde et puissance de rayonnement. Par exemple, si un pigment activé par une longueur d'onde spécifique est ajouté au plastique (peinture, etc.), il a une propriété intéressante. Nous plaçons un tel produit sous le laser, le matériau principal ne réagit en aucune façon au rayonnement entrant et le pigment est "activé" directement à l'intérieur du matériau, c'est-à-dire nous travaillons uniquement avec lui. A la sortie, notre produit sera sans violer l'intégrité, mais avec une inscription intégrée dans la structure du matériau lui-même. Ceci est très apprécié dans les industries avec un environnement agressif, où l'inscription avec la peinture peut être effacée et l'estampage est sale jusqu'à ce qu'il soit illisible. Sur la photo, par exemple, une étiquette pour une vache. Jusqu'à ce que l'étiquette elle-même s'effondre, l'inscription restera lisible. Il est fait de polypropylène, qui interagit très mal (lu de quelque façon que ce soit) avec un laser à fibre, mais les additifs qu'il contient n'attendent que d'être irradiés. Ils absorbent toute l'énergie qui est transférée au polypropylène. On obtient une sorte d'intermédiaire.
Ces mêmes étiquettes pour les vaches à image indélébile et autres produits en plastique.
L'histoire opposée a été rencontrée par tous ceux qui ont enlevé les tatouages avec un laser: le rayonnement laser pénètre la peau, pratiquement sans interagir avec elle, mais est absorbé par la peinture, la détruisant. Sur la transparence de la peau pour certaines longueurs d'onde, toute l'utilisation des lasers en cosmétologie, chirurgie et autre médecine est basée.
Couleurs de décoloration
Une autre application intéressante des graveurs laser est la création de dessins en couleurs sur métal. La technologie est basée sur des tons de couleur et permet de comprendre de quoi il s'agit.
Comme nous le savons tous, les métaux aiment interagir avec l'atmosphère - c'est ce qu'on appelle l'oxydation. Certains métaux s'oxydent rapidement, d'autres lentement, mais s'ils sont chauffés, l'oxydation se produira toujours ici et maintenant.
Un exemple de couleurs possibles sur un produit particulier.
Avec l'interférence de la lumière blanche sur les films d'oxyde minces, il nous semble que la surface a changé de couleur. L'effet est bien connu de tous ceux qui ont au moins une fois chauffé un morceau de fer ou regardé une soudure fraîche: des taches d'arc-en-ciel sont apparues sur le métal. La couleur dépend directement de l'épaisseur du film d'oxyde, ce qui signifie que si nous connaissons les propriétés du métal et à quelle température un film de quelle épaisseur est formé, puis en organisant un chauffage local et en combinant des points de couleur, nous pouvons créer des images en couleur à la manière d'une imprimante à jet d'encre. , .
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