Выпускная квалификационная работа бакалавра Тема работы: Автоматизация технологической подготовки высокоскоростной лазерной микрообработки (стр. 1 )

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ Государственное автономНОЕ образовательное

учреждение высшего образования

«Новосибирский НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ государственный университет» (нОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ, НГУ)

Факультет ФИЗИЧЕСКИЙ

Кафедра АВТОМАТИЗАЦИИ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Направление подготовки 03.03.02 ФИЗИКА Образовательная программа: БАКАЛАВРИАТ

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА БАКАЛАВРА

Тема работы: Автоматизация технологической подготовки высокоскоростной лазерной микрообработки

«К защите допущен»

Заведующий кафедрой АФТИ ФФ,                                Научный руководитель 

к. т.н.                                                                к. т.н., зав. лаб. ИАиЭ  СО РАН

/_________                                        /_________

«……»………………20… г.  «……»………………20… г. 

Дата защиты: «……»………………20…г.

Новосибирск, 2016

Содержание

Введение        3

Глава 1. Постановка задачи        6

Используемые термины        6

Область приминения лазерной микрообработки        6

Современное представление взаимодействия лазерного излучения с металлом при наносекундной длительности имппульса        8

Параметры лазерной микрообработки        10

Управление процессом лазерной микрообработки        11

Обзор существующих решений.        13

Постановка задачи и разработка требований к алгоритму        16

Глава 2.Методы        17

Обзор методов и алгоритмов        17

Описание алгоритма контурного подхода построения траекторий        18

Гава 3. Реализация алгоритма        24

Реализация построения эквидистант        24

Реализация постраения траекторий        27

Глава 4. Тестирование        30

Тестирование построения эквидистант        30

Тестирование построения траекторий        33

Заключение        33

Список литературы        34

Введение

       Лазерная микрообработка является перспективной и быстроразвивающейся областью технологического применения лазеров. Она нашла широкое применение в медицине, электронике, биологии и в других областях для создания элементов микромеханики, микрооптики, биочипов, прототипов печатных плат, пресс-форм, имплантатов, при нанесении текстур и графических изображений. Конкурирующими методами, которые применяются для решения подобных задач, являются: травление, механическая обработка, фотолитография, электронно-лучевая обработка, электрохимическая обработка и др. Основными преимуществами лазерной микрообработки по сравнению с вышеперечисленными методами являются: отсутствие механического контакта, обширный круг обрабатываемых материалов, взаимодействие с локальной областью обрабатываемого материала, высокая точность и скорость обработки.

При абляции материала с поверхности заготовки протекает множество физических и химических процессов. В литературе [1-8] подробно описаны эти процессы и приведены модели их расчетов. Как показано в [2,3,7] в ряде случаев, результаты моделирования данных процессов на компьютере, хорошо согласуются с экспериментальными данными, но как показано в обзорной статье [9], применение таких моделей ограничивается небольшим диапазоном технологических параметров. В настоящий момент можно сказать, что не существует точной модели, которая могла бы описать все особенности данного процесса. Поэтому, для получения изделий с требуемыми показателями качества необходимо провести предварительную технологическую подготовку к процессу лазерной микрообработки. В [9-11] показано, что результат самой обработки зависит более чем от 30 параметров. Эти параметры можно разделить на 3 основные группы[9]: параметры лазера, технологические параметры обработки и свойства материала.

Ранее рассмотрено, что в группе технологических параметров [12,13], показатели качества изделий во многом зависят от перекрытия лазерных пучков, стратегии обработки, а также при послойной 3D обработке, от количества слоев, поэтому выбор траекторий движения лазерного пучка является важной задачей оптимизации технологической подготовки к лазерной микрообработке.

При производственной подготовке к фрезерной обработке, вычисление траекторий по CAD-модели производится в многочисленных CAM системах, например, ArtCAM, VisualMILL и др.  Анализ подобных систем на тему их пригодности в лазерной микрообработке проведен в [14]. В этой работе показано, что данные системы не удовлетворяют всем требованиям (точность вычислений; гибкая настройка; учет особенностей, протекающих при лазерной обработке процессов) необходимым при лазерной микрообработке.

В лаборатории лазерной графики ИАиЭ СО РАН разработано программное решение MarkCAM, которое по произвольным STL-моделям позволяет вычислить траектории перемещения лазерного пучка с точностью 0.1 мкм и сохранить в формате G-код. В данной программе реализована только одна стратегия построения траекторий – растровый подход, который, как показывает практика, в некоторых случаях имеет недостатки. К примеру, если нам надо обработать поверхность с гладкими краями, то из-за особенностей данного подхода, край будет ступенчатым. В связи с этим было предложено реализовать еще одну стратегию, в которой обработка проходит по контурным траекториям. Данный подход основан на том, что изначальная 3D-модель разбивается по слоям, каждый слой представляет из себя набор сечений объемных фигур – контуров. Траектории на каждом слое формируются так, чтобы лазерный пучок огибал эти контура, постепенно обходя всю зону обработки. Таким образом, планируется улучшить качество границы обрабатываемых микроструктур и расширить функциональные способности программного решения MarkCAM.

Целью данной дипломной работы является разработка и реализация алгоритма контурного подхода и встраивание его в программное решение MarkCAM. А также исследование возможности использования данного подхода при получении пресс-форм микролинзовых растров. 

       В первой главе рассмотрены области применения лазерной микрообработки, описаны процессы, протекающие при взаимодействии лазерного пучка с веществом, способы управления процессом лазерной микрообработки, приведен обзор существующих решений, и разработаны требования к алгоритму. Во второй главе проведен обзор методов и алгоритмов и предложен алгоритм контурного послойного обхода. В третьей главе рассмотрены аспекты технической реализации алгоритма. В четвертой главе диплома описано тестирование данного алгоритма и проведено сравнение двух стратегий построения траекторий при формировании пресс-форм микролинзового растра.

Глава 1. Постановка задачи

Используемые термины

Введем термины специфичные для автоматизированных систем управления производством:

CAD (Computer-aided desing - система автоматизированного проектирования (САПР) - представляет собой организационно-техническую систему, предназначенную для автоматизации процесса проектирования. CAD-модель – модель спроектированная в CAD программном обеспечении. CAM (Computer-aided manufacturing - автоматизированная система технологической подготовки производства (АСТПП)) - подготовка технологического процесса производства изделий, что включает как сам процесс компьютеризированной подготовки производства, так и программно-вычислительные комплексы. Подготовка инструкций для систем обработки в виде траекторий обработки.

Область применения лазерной микрообработки

       За последние 50 лет практического применения лазеров для обработки материалов, технологии лазерной микрообработки нашли широкое применение в различных областях: сверление отверстий, резка листовых материалов, микрорезка, микросварка, нанесение разметки, гравировка, маркировка, микрофрезерование, модификация поверхности, термозакалка.        Лазерная микрообработка применяется для решения различных задач [15]:

В электронике. Резка кремниевых и германиевых пластин, поликора, керамики. Сверление подложек для чипов, прогонка пленочных резистров и компонентов микроэлектроники, микропайка, ремонт печатных плат, производство масок и трафоретов, разделение Si-пластин лазерным скабрированием, создание монтажного рисунка. В микро-оптике. Формирование микроканалов на поверхности стекла для создания дифракционных элементов, масок шкал, микролинз. Создание микролинзовых растров. В машиностроении. Микроструктурирование поверхностей, прецизионное сверления технологических микроотверстий в различных агрегатах, инжекторах, форсунках и фильтрах из особо прочных и керамических материалов. Изготовление вентиляционных охлаждающих каналов в турбинных лопатках авиационных двигателей. В биомедицине. Изготовление стентов, катетеров, зондов, аэрозольных распылителей, микрогидродинамических датчиков. Формирование микро каналов для создания биочипов. В солнечной энергетике. При изготовлении монокристаллических и поликристаллических солнечных элементов: структурирование поверхности, прошивка отверстий, образование изоляционной кромки, удаление контактов, выжигание токопроводящих шин на передней поверхности панели, вывод контактов на тыльную сторону панели, изготовление на панели последовательно включаемых элементов уменьшенного размера, разделение панели резаньем или скабрированием [11]. В часовой промышленности. Сверление отверстий в часовых рубиновых камнях. Изготовление камней и подшипников из рубина и сапфира. В ювелирном деле. Нанесение линий разметки на природном алмазе. Резка больших кристаллов. Предварительное формирование кристалла под заданную огранку.

Основными преимуществами лазерной микрообработки (относительно механической обработки, травления, фотолитографии, электронно-лучевой, электрохимической обработки и др.) являются: