Выпускная квалификационная работа бакалавра Тема работы: Автоматизация технологической подготовки высокоскоростной лазерной микрообработки (стр. 2 )

Обширный класс обрабатываемых материалов, который включает в себя тугоплавкие и хрупкие материалы, обработка которых другими методами затруднительна.  Отсутствие механического контакта, что как раз позволяет обрабатывать хрупкие материалы. Высокая концентрация энергии в локальной области за короткий промежуток времени, благодаря чему нагревается только область обработки, а не вся заготовка. Высокая точность обработки, которая позволяет перемещать фокус лазерного излучения с субмикронной точностью. Высокая скорость обработки. Скорость движения фокуса лазерного пучка по обрабатываемой области может достигать нескольких метров в секунду.

Современное представление взаимодействия лазерного излучения с металлом при наносекундной длительности импульса

При взаимодействии лазерного излучения с веществом происходит множество процессов, которые приводят к изменению оптических и электрических свойств вещества, его структуры и фазового состава. Основными процессами являются: плавление, испарение, кристаллизация, термохимические реакции. Кристаллизация приводит к изменению структуры и свойств материала в зоне обработки, что также сопровождается выделением энергии. Термохимические процессы приводят к изменению химического состава вещества (например, окисление), что может изменить поглощательную способность зоны обработки.

Лазерное излучение, падающее на обрабатываемую поверхность, поглощается в соответствии с экспоненциальным законом Бугера–Ламберта:

I(x) = I0exp(–бx),

где I(x) – интенсивность лазерного излучения, проникшего в материал на глубину x; I0 – интенсивность падающего на объект лазерного излучения (для простоты вклад отражения не учитывается). Выделившееся тепло распространяется вглубь материала за счет теплопроводности.

При высоких пиковых мощностях лазерного излучения возможно протекание лазерной абляции вещества – процесса микровзрыва с образованием кратера и плазмы, при этом вещество моментально удаляется с поверхности. Кроме того, при мощном лазерном облучении вещества может произойти оптический пробой, что приведет к образованию плазмы, поглощению излучения плазмой (плазма экранирует излучение) и механическим деформациям. Это негативный эффект, и его нужно избегать в процессе лазерной обработки материалов. Таким образом, при построении любого технологического процесса, осуществляемого с помощью лазера, необходимо учитывать теплофизику процесса.

Лазеры могут работать либо в непрерывном режиме, либо в импульсном. При непрерывном режиме генерируется непрерывное лазерное излучение с постоянной мощностью. При импульсном режиме генерируются лазерные импульсы высокой мощности, достаточной для микрообработки данного материала и малых длительностей для минимизирования теплового потока в окружающий материал. При лазерной обработке материалов наиболее активно используются два типа лазеров: углекислотный лазер (CO2) и алюмо-иттриевый лазер с легированием неодимом (Nd:YAG). CO2 лазер работает в инфракрасном диапазоне на длине волны 10 мкм, обладает высокой эффективностью и хорошим качеством лазерного пучка. Высокоэффективные Nd:YAG работают на длине волны 1.064 мкм, что  позволяет сфокусировать излучение в точку меньшего диаметра. При работе в импульсном режиме имеют высокую пиковую мощность, что позволяет формировать структуры с лучшими качественными характеристиками. В настоящее время для микрообработки материалов применяются и другие типы лазеров: лазер на моноксиде углерода (CO), волоконные лазеры с легированием эрбием, алюмо-иттриевые лазеры с легированием иттербием (Yb:YAG).

Параметры лазерной микрообработки

       Из-за сложности процесса, результат лазерной микрообработки зависит от множества параметров. Приведем основные из них [9]:

Параметры лазера: выходная мощность, длина волны, поляризация излучения, режим непрерывный или импульсный, энергия импульса, длительность и форма импульсов, частота импульсов, расходимость и профиль интенсивности лазерного пучка; Технологические параметры: размер и форма сфокусированного пятна излучения, перекрытие световых пятен, сопутствующий газ, стратегия обхода областей сканирования, положение фокальной плоскости при обработке и глубина фокуса, скорость перемещения лазерного пучка, точность фокусировки, точность перемещения лазерного пучка и управления его выходной мощностью; Свойства материала: Оптические (коэффициенты отражения, поглощения и преломления); Термодинамические (теплоемкость, теплопроводность, температура плавления и кипения, удельная теплота плавления и испарения, коэффициент термического расширения); Механические (размеры подложки, шероховатость поверхности, плотность, твердость, хрупкость, упругость);

Управление процессом лазерной микрообработки

Управление перемещением лазерного пучка относительно обрабатываемой заготовки при лазерной микрообработке чаще всего осуществляется при помощи электромеханического координатного стола или при помощи системы зеркал с электромеханическим приводом. В первом случае сам стол осуществляет перемещение заготовки по двум координатам XY и позволяет менять положение по Z для фокусировки лазерного луча на обрабатываемой поверхности, во втором же за перемещение лазерного пучка по координатам XY отвечает система из двух гальванометрических зеркал, каждое их которых осуществляет перемещение по одной из координат, а за перемещение по Z, как и в первом случае отвечает перемещение стола или гальванометрических сканеров.

В лаборатории лазерной графики ИАиЭ СО РАН для управления процессом лазерной микрообработки реализована система управления лазерным формообразованием, которая совмещает в себе эти два метода лазерного сканирования (рис. 1) [16].

Рис. 1. а) Функциональная схема лазерной системы микрообработки на базе комплементарных сканеров б) Функциональная схема оптической головки на основе угловых гальванометрических дефлекторов

Перемещение лазерного пучка по заданной траектории происходит внутри зоны записи (20x20 мм2), которая ограничена полем фокусирующего объектива, при помощи быстрых угловых дефлекторов сканирующей головки. Передвижение самой головки по всей области записи (200х200 мм2) производится при помощи относительно медленных приводов (рис. 1 а). Стол для установки обрабатываемого материала позволяет перемещать объект по Z координате. На рис. 1 б представлена схема оптической сканирующей головки на базе прецизионных угловых зеркальных дефлекторов. Лазерный пучок сначала попадает на зеркало X углового дефлектора, а затем на зеркало Y и при помощи объектива фокусируется на поверхность заготовки. С помощью дефлекторов, которые установлены в сканирующей головке, обеспечивается быстрое и точное перемещение лазерного пучка в малом поле записи. Тактовая частота подачи команд микроперемещения на дефлекторы до 50 кГц, типичное время перемещения в заданную позицию 1 мсек, число разрешимых позиций более 104.

       Для управления данной системой в лаборатории лазерной графики ИАиЭ СО РАН разработано программное обеспечение MarkKey, которое предназначено для управления и контроля 2D и 3D лазерной микрообработки. MarkKey предоставляет пользовательский интерфейс для задания рабочей зоны лазерной микрообработки и выполняет следующие функции:

Импорт и визуализация векторных 2d моделей из стандартных графических редакторов (AutoCAD, CorelDraw) в формате HPGL; Преобразование изображений различных растровых форматов (bmp, .jpg) в полиграфический растр с заданными углом, и сохранение их в файл внутреннего формата (.spt); Задание траекторий и режимов лазерной микрообработки по векторным и растровым (для каждой точки изображения формируются круговые или другие, заданные пользователем траектории) 2D моделям; Задание послойной обработки по траекториям, сгенерированным по 3D моделям; Управление технологическим оборудованием системы лазерной микрообработки (приводами, сканерами, лазерным пучком); Контроль качества лазерной микрообработки.

Обзор существующих решений

       За более чем полувековое развитие CAD/CAM технологий разработано множество программных продуктов (ArtCAM, VisualMILL, MasterCAM,  HeeksCNC, PyCAM и др.), позволяющих строить и манипулировать 3D моделями объектов и проводить по ним технологическую подготовку к механической обработке. Такие системы позволяют варьировать стратегии и параметры обработки, выдают траектории движения фрезы в формате кодов управления установками (G-код) и позволяют моделировать сам процесс обработки.        

       Однако, как показывает анализ, проведенный в [14], траектории обработки, получаемые в этих и подобных CAM программах не удовлетворяют всем требованиям лазерной микрообработки, а именно были выявлены следующие недостатки:

Низкая точность вычисления траекторий (обычно 10-6м, требуется 10-8м)

Не учитывают особенности лазерной микрообработки (например, повторное движение луча по предыдущей траектории увеличивает глубину обработки, Гауссово распределение интенсивности) Не могут быть просто встроены в систему лазерной микрообработки

       Также, в [14] проведено исследование существующих решений именно для лазерной микрообработки, показано, что существующие решения, в основном, специализированы для подготовки процесса к обработке на конкретных установках.

       В лаборатории лазерной графики ИАиЭ СО РАН разработано программное решение MarkCAM, в котором реализованы: импорт моделей в стандартном формате STL; послойный обход контура CAD-модели с целью построения траекторий перемещения лазерного пучка; корректировка траекторий с учетом размера пятна фокусировки; вычисление траекторий с точностью до 0.1 мкм и сохранение траекторий в формате G-код.

       В данном программном решении изначальная CAD-модель разбивается на слои, где каждый из слоев представляет из себя набор сечений объемных фигур – контуров. Далее траектории строятся для каждого из слоев отдельно. При таком подходе к построению траекторий осуществляется послойная 3D обработка. Построение траекторий движения лазерного пучка для одного слоя осуществляется только одним стандартным методом растрового обхода.