👨‍🔬 📔 👩🏼‍🔬 Kehidupan Rahasia Pengukir Laser 🧕🏽 🎼 🤶

Meskipun kami tidak melihat mereka di setiap sudut, hasil pekerjaan mereka mengelilingi kami di mana-mana. Kualitas dan kecepatan operasi yang disediakan oleh mesin laser di banyak industri tetap tidak terjangkau untuk metode pemrosesan tradisional. Penanda laser, pengukir, pengelasan logam dan mesin pemotong, dll. Daftar ini sangat besar dan laser terus mengambil alih dunia.

Tapi, Petka, ada nuansa. Seperti semua kisah teknologi tinggi, teknologi laser telah berhasil menumbuhkan cukup banyak rumor dan mitos tentang kemungkinannya yang tak terbatas. Kemungkinan memang ada mobil (atau dua), tetapi tidak ada yang membatalkan fisika.

Berbekal keinginan yang kuat untuk mengetahui bagaimana semua ini bekerja, diputuskan untuk memberikan komentar kepada kantor St. Petersburg perusahaan Laser Center. Mereka telah mengembangkan pengukir laser dan spidol selama 15 tahun dan mungkin memahami sesuatu tentang mereka.

Banyak foto yang terpotong.

Lihat akarnya

Kita harus segera mengingat hal terpenting dalam semua sejarah pengukiran dan penandaan ini: hanya serat laser yang dapat memberi kita parameter yang diperlukan untuk aplikasi industri dalam pemrosesan logam. Belum ada alternatif nyata bagi mereka. Gas, keadaan padat dan laser lainnya berfungsi dengan baik, tetapi dalam aplikasi lain.

Muncul pertanyaan: mengapa laser serat begitu luar biasa? Pertama, ini adalah kualitas yang sangat baik dari radiasi optik. Setelah 100.000 jam operasi, perubahan kinerja laser akan diabaikan atau tidak sama sekali. Meski ini bukan berarti Anda tidak bisa mengikutinya sama sekali.

Mini Marker 2. Mesin Laser Center paling populer. Laser disembunyikan dalam kotak merah di bawah ini.

Tetapi yang utama adalah panjang gelombang dari radiasi yang dihasilkan dan bagaimana ia berinteraksi dengan material. Laser karbon dioksida kanonik beroperasi pada panjang gelombang 9,6-10,6 mikron. Radiasi tersebut diserap dengan sempurna oleh bahan organik, sehingga lebih cocok untuk penggunaan medis daripada laser serat yang beroperasi sekitar 1-1,5 mikron. Sebenarnya, panjang gelombang itu, seperti paspor, dokumen identifikasi dengan laser. Tergantung pada panjang gelombang, bahan berinteraksi secara berbeda dengan radiasi. Hanya ada tiga pilihan: radiasi dapat diserap, dipantulkan, atau dilewati. Contoh buku teks adalah kaca yang menyerap gelombang UV tetapi dengan sempurna mentransmisikan spektrum yang terlihat. Varian kami tertarik: radiasi dengan panjang gelombang 1,064 μm hampir sepenuhnya diserap oleh baja, dan dengan panjang gelombang 10,6 μm tercermin. Dan jika kita menggunakan Plexiglas, semuanya akan menjadi kebalikannya (10.6 - terserap, 1.064 - melewati).

Plat demo mesin Penanda mini 2. Plat tersebut dirancang untuk menunjukkan kemampuan maksimum mesin (kualitas gambar, bekerja dengan warna, dll.) Dan dibuat sesuai dengan Anda.

Dan parameter penting ketiga adalah diameter titik pada fokus iradiasi. Dengan kekuatan radiasi dan panjang fokus yang sama, laser serat memiliki tempat yang lebih kecil, dan karenanya kepadatan energi yang diserap sekitar 100 kali lebih tinggi (area lingkaran). ${R ^ 2}$ ) dari ${CO_2}$ -laser. Karenanya kenyamanan yang lebih besar dari bekerja dengan logam.

Nah, pada akhirnya - dimensi kecil dari tubuh yang terpancar. Apalagi jika dibandingkan dengan laser gas.

Dan untuk melengkapi pengantar pada catatan utama dan membangkitkan kebanggaan bagi rekan-rekan kami: pemimpin dalam industri pengembangan dan produksi serat laser adalah IPG Photonics Corporation, yang dibuat oleh Ph.D. Gapontsev. Secara umum, Anda dapat menerima secara default: Anda melihat laser, mencari jejak fisikawan Rusia =)

Proses ukiran piring dari foto sebelumnya. Ini dilakukan hanya dalam beberapa menit.

Omong-omong, pasar untuk serat laser sekarang diperkirakan sekitar $ 2 miliar, di mana 1,5 adalah IPG. Dan sepotong kecil dari perusahaan ini NTO "IRE-Polyus", dari mana serat laser dimulai, menempati urutan kesepuluh di antara eksportir non-sumber daya di Rusia. Kesembilan - Rosoboronexport. Buat kesimpulan sendiri.

Materiel

Sekarang mari kita pahami apa itu serat laser.

Ketika sampai pada ${CO_2}$ , ruby, serat atau laser lainnya, mengacu pada media aktif yang menghasilkan radiasi laser. Tiga menit tentang apa laser itu sendiri.

Anda dapat memotong benda-benda lucu dari kayu dan plastik dengan laser

Pada tahun 1964, ilmuwan Soviet Nikolai Basov dan Alexander Prokhorov, bekerja sama dengan Charles Townes Amerika, dianugerahi Hadiah Nobel karena menciptakan laser. Mereka menemukan bahwa dalam beberapa zat, ketika disinari dengan energi elektromagnetik, elektron mulai bergerak ke orbit energi yang lebih tinggi. Dan pada transisi terbalik ke orbit energi yang lebih rendah, mereka memancarkan foton dengan energi satu kuantum. Dan apa itu satu kuantum? Ini adalah energi satu foton =) Selanjutnya, keajaiban utama terjadi: jika foton terbang mengenai elektron lain yang berada pada tingkat energi tinggi, foton baru dihasilkan yang benar-benar identik dengan yang masuk, dan ia akan terbang ke arah yang sama. Kemudian dua foton ini melumpuhkan empat, mereka melumpuhkan delapan, dan seterusnya, hingga apa yang disebut rana dibuka pada batas zat aktif, dan fluks radiasi yang terdiri dari foton yang sama persis terbang keluar dari zat tersebut. Semua ini terjadi pada kecepatan cahaya, oleh karena itu, dalam laser modern, durasi pulsa dapat diukur dalam pico dan femtoseconds (masing-masing adalah -12 dan -15 derajat).

Mesin ukiran (secara harfiah) pertama dijual. Dia secara khusus dicari dan dibeli kembali.

Sekarang sedikit matematika. Misalkan kita memiliki laser serat daya menengah 10 W standar dengan lebar pulsa 100 nanodetik (-9) dan frekuensi pulsa 20 kHz. Energi satu pulsa adalah 1 mJ. Diameter tempat adalah 50 mikron.

Dan jika Anda hati-hati melihat dorongan ini, ternyata ${10 ^ {- 9}}$ detik kami mentransfer 1 mJ. Dan jika Anda bekerja dengan cara ini tanpa henti sedetik pun, maka kami mendapat 10.000.000 (kali) pada 0,001 J (ini adalah energi). Total 10.000 watt. Anda bisa bayangkan bagaimana rasanya ketika 10 kW dipompa ke setiap 50 mikron.

Di sini teknologi pengukiran dalam bekerja untuk mendapatkan gambar volumetrik dengan kejelasan luar biasa. Semacam printer 3D sebaliknya. Prosesnya bisa berlangsung beberapa hari, selama produk itu tidak boleh disentuh. Karena itu, di laboratorium mereka seberat mungkin.

Sekarang ingat laser China, yang memberi tempat beberapa kali lebih banyak. Jika jari-jari spot tiga kali lebih besar, luasnya sembilan kali lebih besar, ternyata, semua hal sama, laser Cina akan bekerja bukan sebagai 10W, tetapi sebagai ~ 1W (ini masih merupakan skenario positif).

Sekarang sedikit tentang serat laser itu sendiri. Tidak sulit ditebak, di sini peran tubuh yang terpancar dimainkan oleh sepotong panjang serat. Bukan yang Internet jalankan ke arah Anda sekarang, tetapi intinya sama, hanya struktur seratnya yang sangat berbeda. Apa keindahan laser serat - pendinginan dasar media aktif. Sementara para insinyur bingung tentang tugas mendinginkan labu gas atau kristal secara seragam, tidak ada masalah dengan string optik sama sekali. Bahkan, Anda bisa melilitkannya di sekitar sepotong aluminium, katakan itu radiator, dan ini memecahkan masalah pendinginan.

Apa yang terjadi pada akhirnya. Kamera saya tidak dapat menyampaikan tingkat detail gambar, tetapi percayalah - mata benar-benar memotong ketajaman sempurna mereka.

Masalah lain yang mudah dipecahkan adalah radiasi pompa. LED disolder ke serat, melalui coupler - satu lagi, lalu yang lain dan lebih, dan seterusnya sebanyak yang Anda suka, sampai kita mendapatkan aliran yang diinginkan.

Masalah uang

Mengapa tepatnya pengukir laser menyebabkan bunga maksimum di antara pemilik produksi? Anehnya, tetapi orang memiliki jumlah uang yang terbatas dan bunga maksimum selalu merupakan teknologi termurah yang memberikan hasil yang dapat diterima. Oleh karena itu, jika kita mengambil seribu mesin laser konvensional, 900 akan untuk penandaan dan hanya 100 untuk memotong, mengelas dan teknologi aditif lainnya.

Mesin potong laser sedang bekerja. Produk akhir bukanlah kisi, tetapi apa yang ada di sel kosong.

Seperti yang kami sepakati sebelumnya, kemungkinan besar, modul laser dari semua dari satu produsen. Jadi, tetap belajar bagaimana mendapat manfaat darinya. Untuk melakukan ini, kita perlu merakit mesin, yang merupakan bidang penanda dan batang vertikal di mana sistem optik akan bergerak (secara kolektif, ini disebut sistem pemindai). Mobilitas ini diperlukan untuk mengatur fokus. Sebaliknya, fokus sistem adalah konstan, tetapi produk yang ditandai memiliki ketebalan yang berbeda, dan ini harus diperhitungkan.

Mengapa tidak memperbaiki optik pada satu titik? Jawabannya sekali lagi adalah uang - jauh lebih mudah membuat batang dengan motor daripada menciptakan lensa zoom. Catu daya dan laser dapat disembunyikan di dasar mesin, setelah itu kecil - ubah semua detail berkali-kali untuk menggabungkan cara terbaik dan menulis perangkat lunak (pelat sarkasme).

Contoh dari kedokteran. Sebuah pin dipasang di dudukannya, di mana sebuah microrelief yang sangat khusus diukir, sehingga sel-sel jaringan di sekitarnya membuatnya lebih mudah untuk memperbaikinya. Manipulasi semacam itu kadang-kadang meningkatkan efektivitas pin.

Dalam kasus mesin pusat laser, semuanya ditulis di bawah Windows, karena kebanyakan industri menggunakan teknologi Microsoft dan tidak ada keinginan untuk mengatur perang format dengan mereka. Pasar memutuskan bagaimana berbicara sekarang.

Pertanyaan permukaan melengkung

Pembaca yang penuh perhatian akan mengajukan pertanyaan - Anda mengatakan bahwa produk harus fokus. Jadi, permukaannya harus cukup halus. Tapi lihat pena dangkal, itu bulat! Bagaimana cara meletakkan tulisan pada permukaan yang melengkung?
Benar-benar pertanyaan yang tepat!

Saya benar-benar lupa apa nama benda ini, tetapi di sini semuanya jelas. Menggunakan metode tradisional, ini sangat panjang, mahal dan sulit.

Untuk melakukan ini, kita perlu mempertimbangkan bagaimana bagian optik dari pengukir bekerja. Jika kita meletakkan lensa biasa di lensa, sinar akan difokuskan ke bola. Pada prinsipnya, ini harus diketahui semua orang dari kursus fisika sekolah. Tapi apa yang tidak mereka katakan di sekolah adalah bahwa mungkin untuk merancang lensa sedemikian rupa sehingga sinar mulai fokus di pesawat. Tentu saja, lebih dekat ke tepi pesawat, sinar akan sedikit keluar dari fokus, tanpa ini dengan cara apa pun. Tapi ini sudah menjadi pembicaraan tentang toleransi dan kesalahan. Anda dapat melawan ini dengan penciptaan lensa yang lebih dan lebih rumit, tetapi secara ekonomis hal ini tidak dapat dibenarkan (tidak lagi, tetapi sekali lagi).

Nozzle plastik berteknologi tinggi untuk pemfokusan. Lebih baik dan lebih mudah di dunia belum ditemukan. Serius.

Lalu bagaimana cara menghadapinya? Tidak mungkin! Sinar laser yang baik dalam fokus memungkinkan kita untuk mencapai presisi mikron dekat. Bahkan jika akurasi ini turun hingga beberapa mikrometer ke batas bidang kerja, kami tidak akan melihatnya tanpa mikroskop. Oleh karena itu, jika kita membutuhkan akurasi yang sangat tinggi, kita dapat secara artifisial membatasi ukuran bidang kerja sehingga balok tetap berada dalam kesalahan yang diperlukan. Ini adalah kesimpulan penting: mesin dapat memiliki resolusi tinggi, atau bekerja dengan bidang melengkung. Pemanen yang tahu seberapa baik keduanya saat itu belum menemukan.

Semua mesin industri dilengkapi dengan tempat tidurnya, di mana catu daya yang tidak terputus harus terintegrasi. Dia memiliki satu tugas: untuk mengingat tindakan terakhir dan mematikan mesin. Ketika daya kembali, pemrosesan akan dilanjutkan dari titik yang sama.

Poin penting lainnya adalah ukuran titik laser. Tidak peduli seberapa keren kita mengatur optik dan sumber radiasi laser, kita tidak akan pernah mendapatkan poin yang sangat kecil. Itu akan selalu menjadi tempat, yang ukurannya tergantung pada sistem optik, panjang gelombang laser dan kualitas pemancar laser itu sendiri. Inilah alasan mengapa IPG Photonics hampir menjadi perusahaan monopoli di pasar. Mereka berhasil membuat laser di mana tempat itu bisa puluhan kali lebih kecil dari rekan-rekan Cina. Tempat yang lebih kecil - lebih banyak daya di wilayahnya, efisiensi lebih tinggi, dll. Selain itu, distribusi energi di tempat tidak seragam, tetapi menurut distribusi Gaussian, tetapi di sini kita berisiko jatuh ke alam liar yang tidak lagi dibutuhkan.

Salah satu laboratorium produksi. Orang-orang sudah pergi, tetapi beberapa pengukir sibuk dengan pekerjaan mereka. Bekerja selama beberapa hari tanpa istirahat untuk mereka dalam mode normal.

Oleh karena itu, dengan pena (dan permukaan melengkung tidak kritis lainnya) semuanya sederhana - tanpa mikroskop kita tidak akan melihat bahwa ujung-ujung ukiran pada lereng akan kabur sedikit lebih banyak daripada pada bagian atas, di mana fokus ditetapkan. Pada bahasa gaul laser, ini disebut pengangkutan - perbedaan ketinggian yang digunakan mesin ini. Dan ada produk (misalnya, jaring terbaik yang digunakan dalam bedah vaskular, yang disebut stent), di mana akurasi sangat penting dan produk tersebut dipotong secara eksklusif dari flat blank. Ada banyak nuansa khusus: jika kita bekerja dengan elektronik multilayer, di mana ketebalan lapisan mencapai 10 mikron, bahkan bahan permukaan tempat benda kerja itu harus diperhitungkan. Dengan ekspansi termal 2 mm per meter untuk setiap 20 derajat, bahan media dianggap tidak cocok. Oleh karena itu, lempengan granit (jenis granit tertentu) dapat digunakan sebagai substrat: koefisien termal yang sangat baik dan ketahanan getaran tertentu.

Contoh mesin yang dipasang di tempat tidur granit.

Tentang Materi

Jika Anda melihat pengemasan hampir semua yang diproduksi di pabrik, kemungkinan besar Anda akan menemukan jejak penanda laser. Dan kemungkinan besar, itu akan menjadi kode alfanumerik berwarna hitam. Apakah ini berarti bahwa ketika menandai laser membakar lapisan atas material, meninggalkan abu, pembusukan dan kesuraman? Tidak. Jika kita berasumsi demikian, prasasti semacam itu bisa dengan mudah dihapus, tetapi mereka bertahan seperti sarung tangan. Mari kita cari tahu apa yang terjadi.

Ketika mengembangkan teknologi yang membutuhkan akurasi mikron, semuanya dikendalikan oleh mikroskop.

Dalam paragraf sebelumnya, kami telah menyebutkan ukuran tempat laser. Segalanya tampak sederhana di sini. Jika Anda ingin lebih banyak kekuatan - buat tempat kecil, Anda tidak perlu kekuatan besar - Anda bisa melakukan besar. Tetapi untuk beberapa alasan kami lupa tentang bahan yang berinteraksi dengan laser, dan proses teknologi, yang ada banyak: penguapan, reflow, dll. Tapi sekarang kami hanya tertarik pada satu hal - perubahan dalam struktur materi.

Nomor kematian - eucariot menempelkan tangannya tepat di bawah sinar laser. Namun, tangan itu tidak terputus, tidak terbakar, dan tidak terjadi apa-apa: radiasi tidak fokus, oleh karena itu kekuatannya tersebar di permukaan yang besar. Tetapi jika dia menurunkan tangannya ...

Sementara fisikawan mencari ukuran tempat, melihat distribusi Gaussian (ya, sekali lagi), para ahli optik hanya menugaskannya. Di mana radiasi jatuh ${e ^ 2}$ kali, dan merupakan batas sinar optik kami. Tetapi bagi orang awam ini ${e ^ 2}$ sekali naik sakit. Penting bagi kita untuk hanya menentukan tempat (dan perbatasannya) tempat proses kita berlangsung. Dan di sini semua perhatian pada objek tempat kita bersinar. Setiap bahan bereaksi secara berbeda terhadap panjang gelombang dan daya radiasi yang berbeda. Misalnya, jika pigmen yang diaktifkan oleh panjang gelombang tertentu ditambahkan ke plastik (cat, dll.), Ia memiliki sifat yang menarik. Kami menempatkan produk seperti itu di bawah laser, bahan utama tidak bereaksi terhadap radiasi yang masuk, dan pigmen "diaktifkan" langsung di dalam materi, mis. kami hanya bekerja dengannya. Pada output, produk kami akan tanpa melanggar integritas, tetapi dengan tulisan yang terintegrasi ke dalam struktur material itu sendiri. Ini sangat dihargai dalam industri dengan lingkungan yang agresif, di mana prasasti dengan cat dapat dihapus, dan stempel menjadi kotor hingga tidak dapat dibaca. Di foto, misalnya, tag untuk seekor sapi. Sampai tag itu sendiri berantakan, prasasti akan tetap dapat dibaca. Itu terbuat dari polypropylene, yang berinteraksi sangat buruk (baca dengan cara apa pun) dengan laser serat, tetapi aditif di dalamnya hanya menunggu untuk diiradiasi. Mereka mengambil semua energi yang ditransfer ke polypropylene. Suatu jenis perantara diperoleh.

Tag yang sama untuk sapi dengan gambar yang tidak terhapuskan dan produk plastik lainnya.

Kisah sebaliknya ditemui oleh semua orang yang menghilangkan tato dengan laser: radiasi laser menembus kulit, praktis tanpa berinteraksi dengannya, tetapi diserap oleh cat, menghancurkannya. Pada transparansi kulit untuk panjang gelombang tertentu, seluruh penggunaan laser dalam tata rias, operasi dan obat-obatan lainnya didasarkan.

Warna Perubahan Warna

Aplikasi lain yang menarik dari pengukir laser adalah penciptaan gambar warna pada logam. Teknologi ini didasarkan pada nada warna dan mari kita pahami apa itu.

Seperti kita ketahui, logam suka berinteraksi dengan atmosfer - ini disebut oksidasi. Beberapa logam teroksidasi dengan cepat, beberapa lambat, tetapi jika dipanaskan, oksidasi akan selalu terjadi di sini dan sekarang.

Contoh kemungkinan warna pada produk tertentu.

Dengan gangguan cahaya putih pada film oksida tipis, tampaknya bagi kita bahwa permukaannya telah berubah warna. Efeknya sangat dikenal oleh semua orang yang setidaknya pernah memanaskan sepotong besi atau melihat lasan baru: noda pelangi muncul pada logam. Warna secara langsung tergantung pada ketebalan film oksida, yang berarti bahwa jika kita mengetahui sifat-sifat logam dan pada suhu berapa film dari ketebalan apa yang terbentuk, kemudian mengatur pemanasan lokal dan menggabungkan titik-titik warna, kita dapat membuat gambar warna dengan cara printer inkjet. , .

, - . , .