💺 👧 ♒️ A vida secreta dos gravadores a laser 🤾🏿 👩🏿‍🤝‍👩🏼 👨🏾‍🤝‍👨🏻

Embora não os vejamos em todos os cantos, os resultados de seu trabalho nos cercam por toda parte. A qualidade e a velocidade de operação fornecidas pelas máquinas a laser em muitas indústrias permanecem inatingíveis para os métodos de processamento tradicionais. Marcadores a laser, gravadores, máquinas para soldar e cortar metais, etc. A lista é realmente enorme e os lasers continuam a dominar o mundo.

Mas, Petka, há uma nuance (s). Como todas as histórias de alta tecnologia, a tecnologia laser já conseguiu cultivar rumores e mitos suficientes sobre suas possibilidades ilimitadas. As possibilidades são realmente um carro (ou dois), mas ninguém cancelou a física.

Armado com um grande desejo de descobrir como tudo isso funciona, foi decidido fazer comentários no escritório de São Petersburgo da empresa Laser Center. Eles desenvolvem gravadores e marcadores a laser há 15 anos e provavelmente entendem algo sobre eles.

Muitas fotos sob o corte.

Veja a raiz

Devemos lembrar imediatamente a coisa mais importante em toda essa história de gravação e marcação: somente os lasers de fibra podem fornecer os parâmetros necessários para aplicações industriais no processamento de metais. Ainda não existe uma alternativa real para eles. Gás, estado sólido e outros lasers funcionam bem, mas em outras aplicações.

Surge a pergunta: por que os lasers de fibra são tão notáveis? Em primeiro lugar, esta é uma excelente qualidade de radiação óptica. Após 100.000 horas de operação, a alteração no desempenho do laser será insignificante ou não será. Embora isso não signifique que você não possa segui-lo.

Mini Marcador 2. A máquina Laser Center mais popular. O laser está escondido em uma caixa vermelha abaixo.

Mas o principal é o comprimento de onda da radiação gerada e como ela interage com os materiais. O laser canônico de dióxido de carbono opera em comprimentos de onda de 9,6 a 10,6 mícrons. Essa radiação é perfeitamente absorvida pela matéria orgânica, sendo mais adequada para uso médico do que os lasers de fibra que operam a cerca de 1-1,5 mícrons. A rigor, o comprimento de onda é, como um passaporte, um documento de identificação com um laser. Dependendo do comprimento de onda, os materiais interagem de maneira diferente com a radiação. Existem apenas três opções: a radiação pode ser absorvida, refletida ou ignorada. Um exemplo de livro é o vidro que absorve as ondas UV, mas transmite perfeitamente o espectro visível. A variante em que estamos interessados: radiação com comprimento de onda de 1,064 μm é quase completamente absorvida pelo aço e, com comprimento de onda de 10,6 μm, é refletida. E se usarmos o acrílico, tudo será exatamente o oposto (10,6 - absorvido, 1,064 - passa).

Placa de demonstração da máquina Mini marcador 2. Essas placas são projetadas para mostrar os recursos máximos da máquina (qualidade da imagem, trabalhando com cores, etc.) e são feitas com você.

E o terceiro parâmetro importante é o diâmetro do ponto no foco da irradiação. Com a mesma potência irradiada e distância focal, o laser de fibra possui um ponto menor e, portanto, a densidade da energia absorvida é cerca de 100 vezes maior (área do círculo ${R ^ 2}$ ) que ${CO_2}$ -laser. Daí a conveniência ainda maior de trabalhar com metais.

Bem, no final - as pequenas dimensões do corpo radiante. Especialmente quando comparado com lasers a gás.

E, para concluir a introdução com destaque e despertar orgulho em nossos compatriotas: o líder na indústria de desenvolvimento e produção de lasers de fibra é a IPG Photonics Corporation, criada pelo estudante de pós-graduação do MIPT V.P. Gapontsev. Em geral, você pode aceitar por padrão: você vê o laser, procura o traço dos físicos russos =)

O processo de gravação da placa da foto anterior. Isso é feito em apenas alguns minutos.

A propósito, o mercado de lasers de fibra agora é estimado em cerca de US $ 2 bilhões, dos quais 1,5 são IPG. E um pequeno pedaço dessa corporação NTO "IRE-Polyus", da qual começaram os lasers de fibra, ocupa o décimo lugar entre os exportadores de recursos não na Rússia. Nono - Rosoboronexport. Tire suas próprias conclusões.

Material

Agora vamos entender o que é um laser de fibra.

Quando se trata de ${CO_2}$ , rubi, fibra ou qualquer outro laser, refere-se ao meio ativo que gera radiação laser. Três minutos sobre o que é o próprio laser.

Você pode cortar coisas fofas de madeira e plástico com um laser

Em 1964, os cientistas soviéticos Nikolai Basov e Alexander Prokhorov, em colaboração com o americano Charles Townes, receberam o Prêmio Nobel por criar um laser. Eles descobriram que em algumas substâncias, quando irradiadas com energia eletromagnética, os elétrons começam a se mover para órbitas de energia mais alta. E na transição reversa para uma órbita de energia mais baixa, eles emitem fótons com energia de um quantum. E o que é um quantum? Esta é a energia de um fóton =) Então a mágica principal acontece: se um fóton voador atinge outro elétron que está em um nível alto de energia, um novo fóton é gerado, completamente idêntico ao que entra, e voa na mesma direção. Então esses dois fótons eliminam quatro, eliminam oito, e assim por diante, até que o chamado obturador seja aberto nos limites da substância ativa, e um fluxo de radiação que consiste exatamente nos mesmos fótons sai da substância. Tudo isso acontece na velocidade da luz, portanto, nos lasers modernos, a duração do pulso pode ser medida em pico e femtossegundos (estes são -12 e -15 graus, respectivamente).

A primeira (literalmente) máquina de gravação vendida. Ele foi especificamente procurado e comprado de volta.

Agora um pouco de matemática. Suponha que tenhamos um laser de fibra de média potência de 10 W com largura de pulso de 100 nanossegundos (-9) e frequência de pulso de 20 kHz. A energia de um pulso é 1 mJ. O diâmetro do local é de 50 microns.

E se você observar atentamente esse impulso, acontece que ${10 ^ {- 9}}$ seg nós transferimos 1 mJ. E se você trabalha dessa maneira sem parar por um segundo, obtemos 10.000.000 (vezes) em 0,001 J (isso é energia). Total de 10.000 watts. Você pode imaginar como é a sensação quando 10 kW são bombeados a cada 50 mícrons.

Aqui, a tecnologia da gravação profunda é desenvolvida para obter imagens volumétricas de incrível clareza. Uma espécie de impressora 3D, pelo contrário. O processo pode durar vários dias, durante os quais o produto não deve ser tocado. Portanto, no laboratório, eles são os mais pesados possíveis.

Agora lembre-se dos lasers chineses, que mostram o local várias vezes mais. Se o raio do ponto for três vezes maior, sua área for nove vezes maior, verifica-se que, todas as coisas são iguais, o laser chinês funcionará não como 10W, mas como ~ 1W (este ainda é um cenário positivo).

Agora um pouco sobre o próprio laser de fibra. Não é difícil adivinhar, aqui o papel do corpo radiante é desempenhado por um longo pedaço de fibra. Não é exatamente o que a Internet está executando em sua direção agora, mas a essência é a mesma, apenas a estrutura da fibra é muito diferente. Qual é a beleza de um laser de fibra - resfriamento elementar do meio ativo. Enquanto os engenheiros estão intrigados com a tarefa de resfriar uniformemente um balão de gás ou um cristal inteiro, não existe esse problema com a corda óptica. Na verdade, você pode enrolá-lo em torno de uma peça redonda de alumínio, dizer que é um radiador e isso resolveu o problema de resfriamento.

O que acontece no final. Minha câmera não pode transmitir o grau de detalhe das imagens, mas acredite: os olhos literalmente cortam sua nitidez perfeita.

Outro problema facilmente resolvido é o bombeamento de radiação. Um LED é soldado à fibra, através do acoplador - mais um, depois outro e mais, e assim por diante quantas vezes você quiser, até obter o fluxo desejado.

Questão de dinheiro

Por que exatamente os gravadores a laser causam o máximo interesse entre os proprietários da produção? Curiosamente, mas as pessoas têm uma quantidade finita de dinheiro e o interesse máximo é sempre a tecnologia mais barata que oferece um resultado aceitável. Portanto, se usarmos mil máquinas a laser convencionais, 900 serão para marcação e apenas 100 para corte, soldagem e outras tecnologias aditivas.

Máquina de corte a laser no trabalho. O produto final não é uma treliça, mas o que havia nas células vazias.

Como concordamos anteriormente, provavelmente, módulos a laser de todos de um fabricante. Portanto, resta aprender a se beneficiar disso. Para fazer isso, precisamos montar uma máquina, que é um campo de marcador e uma barra vertical ao longo da qual o sistema óptico se moverá (coletivamente, isso é chamado de sistema de scanner). Essa mobilidade é necessária para definir o foco. Em vez disso, o foco do sistema é constante, mas os produtos marcados têm espessuras diferentes, e isso deve ser levado em consideração.

Por que não consertar a ótica em um ponto? A resposta está novamente em dinheiro - é muito mais fácil fazer uma haste com um motor do que inventar uma lente de zoom. A fonte de alimentação e o laser podem ficar ocultos na base da máquina, após os quais são pequenos - altere todos os detalhes várias vezes para combinar da melhor maneira e escrever software (placa de sarcasmo).

Um exemplo da medicina. Um pino é instalado no suporte, no qual um microrrelevo muito especial é gravado, de modo que as células dos tecidos circundantes facilitam a fixação nele. Essa manipulação às vezes aumenta a eficácia do pino.

No caso de máquinas com centro laser, tudo é escrito no Windows, porque a maioria dos setores funciona com as tecnologias da Microsoft e não há desejo de organizar uma guerra de formatos com eles. O mercado decidiu como falar agora.

Questão de superfícies curvas

Um leitor atento fará uma pergunta - você diz que o produto deve estar em foco. Portanto, sua superfície deve ser bastante lisa. Mas olhe para a caneta banal, é redonda! Como colocar uma inscrição em uma superfície tão curva?
Absolutamente a pergunta certa!

Eu esqueci completamente como isso é chamado, mas aqui está tudo claro. Usando métodos tradicionais, isso é muito longo, caro e difícil.

Para fazer isso, precisamos considerar como a parte óptica do gravador funciona. Se colocarmos uma lente comum na lente, o feixe será focado na esfera. Em princípio, isso deve ser conhecido por todos do curso de física da escola. Mas o que eles não dizem na escola é que é possível projetar a lente de forma que o feixe comece a focar em um avião. Obviamente, mais perto das bordas do avião, o feixe ficará fora de foco um pouco, sem isso de forma alguma. Mas isso já é uma conversa sobre tolerâncias e erros. Você pode combater isso com a criação de lentes cada vez mais complexas, mas economicamente isso é injustificado (não de novo, mas de novo).

Bico de plástico de alta tecnologia para focar. Melhor e mais fácil do mundo ainda não foram inventados. Sério.

Como então lidar com isso? De jeito nenhum! Um bom feixe de laser em foco nos permite obter precisão de quase mícron. Mesmo que essa precisão caia para alguns micrômetros no limite do campo de trabalho, não a veremos sem um microscópio. Portanto, se precisarmos de uma precisão realmente alta, podemos limitar artificialmente o tamanho do campo de trabalho para que a viga permaneça dentro dos erros necessários. Esta é uma conclusão importante: a máquina pode ter alta resolução ou trabalhar com planos curvos. Colheitadeiras que sabem o quão bem naquela época ainda não inventaram.

Todas as máquinas industriais vêm com suas camas, onde uma fonte de alimentação ininterrupta é necessariamente integrada. Ele tem exatamente uma tarefa: lembrar a última ação e desligar a máquina. Quando a energia é devolvida, o processamento continuará a partir do mesmo ponto.

Outro ponto importante é o tamanho do ponto do laser. Não importa o quão legal configuremos a ótica e a fonte de radiação laser, nunca teremos um ponto infinitamente pequeno. Será sempre um ponto, cujo tamanho depende do sistema óptico, do comprimento de onda do laser e da qualidade do próprio emissor de laser. Esta é a mesma razão pela qual a IPG Photonics se tornou quase um monopolista no mercado. Eles conseguem produzir lasers nos quais o local pode ser dezenas de vezes menor do que os chineses. Um ponto menor - mais potência em sua área, maior eficiência, etc. Além disso, a distribuição de energia no local não é uniforme, mas de acordo com a distribuição gaussiana, mas aqui corremos o risco de cair nas florestas que não são mais necessárias.

Um dos laboratórios de produção. As pessoas já foram embora, mas alguns dos gravadores estavam ocupados com seu trabalho. Trabalhe por vários dias sem interrupção para eles no modo normal.

Portanto, com uma caneta (e outras superfícies curvas não críticas) tudo é simples - sem um microscópio, não veremos que as bordas da gravação na encosta serão borradas um pouco mais do que na parte superior, ao longo da qual o foco é definido. Na gíria de lasers, isso é chamado de transporte - a diferença de altura com a qual esta máquina pode trabalhar. E existem produtos (por exemplo, as melhores redes usadas em cirurgia vascular, chamadas stents), em que a precisão é crítica e esses produtos são cortados exclusivamente a partir de espaços em branco planos. Existem muitas nuances específicas: se trabalhamos com eletrônicos de várias camadas, onde a espessura da camada chega a 10 mícrons, precisamos considerar o material da superfície em que a peça de trabalho está localizada. Com uma expansão térmica de 2 mm por metro a cada 20 graus, o material do substrato é considerado inadequado. Portanto, uma laje de granito (um certo tipo de granito) pode ser usada como substrato: um excelente coeficiente térmico e uma certa resistência à vibração.

Um exemplo de uma máquina montada em uma cama de granito.

Sobre os materiais

Se você olhar para a embalagem de quase qualquer coisa fabricada na fábrica, provavelmente encontrará vestígios do marcador a laser. E provavelmente, será um código alfanumérico em preto. Isso significa que, ao marcar o laser, queima a camada superior do material, deixando para trás cinzas, decomposição e escuridão? Não. Se assumirmos que é assim, essas inscrições poderiam ser facilmente apagadas, mas elas se seguram como uma luva. Vamos descobrir o que está acontecendo.

Ao desenvolver tecnologias que exigem precisão em mícrons, tudo é controlado por um microscópio.

No parágrafo anterior, já mencionamos o tamanho do ponto do laser. Tudo parece simples aqui. Se você quer mais poder - faça um pequeno ponto, não precisa de grande poder - você pode fazer grande. Mas, por alguma razão, esquecemos os materiais com os quais o laser interage e os processos tecnológicos, dos quais existem muitos: evaporação, refluxo, etc. Mas agora estamos interessados apenas em uma coisa - uma mudança na estrutura do material.

Número da morte - eucariot enfia a mão sob o raio laser. No entanto, a mão não foi cortada, não queimou e nada aconteceu: a radiação está fora de foco, portanto, seu poder está espalhado em uma grande superfície. Mas se ele tivesse abaixado a mão ...

Enquanto os físicos estão procurando o tamanho do local, olhando a distribuição gaussiana (sim, novamente), os oculistas simplesmente o atribuíram. Onde a radiação cai ${e ^ 2}$ vezes, e é o limite do nosso feixe óptico. Mas para as pessoas comuns isso ${e ^ 2}$ uma vez cavalgou machucado. É importante para nós simplesmente determinar o local (e suas fronteiras) onde nosso processo ocorre. E aqui toda a atenção para o objeto em que brilhamos. Cada material reage de maneira diferente a diferentes comprimentos de onda e potência de radiação. Por exemplo, se um pigmento ativado por um comprimento de onda específico é adicionado ao plástico (tinta, etc.), ele possui uma propriedade interessante. Colocamos esse produto sob o laser, o material principal não reage à radiação recebida e o pigmento é "ativado" diretamente dentro do material, ou seja, nós só trabalhamos com ele. Na saída, nosso produto estará sem violar a integridade, mas com uma inscrição integrada à estrutura do próprio material. Isso é muito apreciado em indústrias com um ambiente agressivo, onde a inscrição com a tinta pode ser apagada e a impressão fica suja até ficar ilegível. Na foto, por exemplo, uma etiqueta para uma vaca. Até a própria tag desmoronar, a inscrição permanecerá legível. É feito de polipropileno, que interage muito mal (lida de qualquer forma) com um laser de fibra, mas os aditivos nele apenas esperam ser irradiados. Eles consomem toda a energia que é transferida para o polipropileno. Um tipo de intermediário é obtido.

Essas mesmas etiquetas para vacas com imagem indelével e outros produtos de plástico.

A história oposta foi enfrentada por todos que removeram tatuagens com um laser: a radiação laser penetra na pele, praticamente sem interagir com ela, mas é absorvida pela tinta, destruindo-a. Na transparência da pele para certos comprimentos de onda, baseia-se todo o uso de lasers em cosmetologia, cirurgia e outros medicamentos.

Cores da descoloração

Outra aplicação interessante dos gravadores a laser é a criação de desenhos coloridos em metal. A tecnologia é baseada em tons de cores e vamos entender o que é.

Como todos sabemos, os metais gostam de interagir com a atmosfera - isso é chamado de oxidação. Alguns metais oxidam rapidamente, outros lentamente, mas se aquecidos, a oxidação sempre ocorrerá aqui e agora.

Um exemplo de cores possíveis em um produto específico.

Com a interferência da luz branca em filmes finos de óxido, parece-nos que a superfície mudou de cor. O efeito é bem conhecido por todo mundo que ao menos uma vez esquentou um pedaço de ferro ou olhou para uma nova solda: manchas de arco-íris apareceram no metal. A cor depende diretamente da espessura do filme de óxido, o que significa que, se conhecermos as propriedades do metal e a que temperatura um filme de qual espessura é formada, organizando o aquecimento local e combinando pontos de cores, podemos criar imagens coloridas da maneira de uma impressora a jato de tinta. , .

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