Использование дифракционных оптических элементов для лазерной резки тонколистового картона

Научная библиотека Комментарии к записи Использование дифракционных оптических элементов для лазерной резки тонколистового картона отключены

А.В. Меженин, Т.А. Груздев // В сборнике: Информационные технологии и нанотехнологии (ИТНТ-2020). Сборник трудов по материалам VI Международной конференции и молодежной школы. В 4-х томах. Под редакцией С.В. Карпеева . 2020. С. 58-65.

С разработкой мощных CO2-лазеров изготовление изделий из листового картона (складные упаковочные коробки, уплотнительные прокладки, игровые пазлы и т.д.) существенно упростилось за счет перехода от технологии штамповки к процессу автоматизированной лазерной резки. Одним из способов расширения технологических возможностей лазерной обработки, в частности, повышения скорости и точности, является применение дифракционных оптических элементов.

Реализация нескольких связанных параллельных процессов может быть достигнута за счет использования многопорядковых дифракционных делителей пучка технологического лазера для резки по симметричным контурам. Выполнены эксперименты, показывающие возможность разделения исходного лазерного пучка дифракционными делителями на несколько лучей с фиксированным углом между ними.

Методом конечных элементов проведено моделирование процесса разделения тонколистового картона как с сохранением ячеек в зоне реза, так с удалением ячеек, в которых достигается температура разрушения.

Результаты подтверждают возможность практической реализации технологии автоматизированной лазерной резки тонких листов картона. 1. Введение На сегодняшний день лазерное излучение широко применяется в научных исследованиях [1, 2], а также в различных областях промышленности при обработке материалов [3]. Это обусловлено тем, что лазерная обработка позволяет обеспечить высокое качество готовых изделий и производительность процессов, она относится к экологически чистым технологиям, а также позволяет значительно сэкономить людские и материальные ресурсы.

Благодаря высокой концентрации энергии и локальности воздействия, применение лазерного луча в качестве инструмента представляет хорошую альтернативу механической обработке неметаллов [4–6]. Возможность применения технологических лазеров для различных видов обработки материалов зависит от энергетических характеристик и временных параметров излучения [5]. Среди лазерных источников, используемых для обработки материалов, широкое распространение получили мощные проточные газовые CO2-лазеры. Они применяются в промышленности для проведения различных технологических операций – резки, сварки, маркировки и гравировки, термообработки и проч.

Для неметаллических материалов наиболее часто применяются разделительные операции (резка, прошивка отверстий), а также гравировка. Лазерная резка обычно является автоматизированным технологическим процессом. В частности, за счет этого при переходе от технологии штамповки к лазерному раскрою картона отмечается резкое повышение производительности (при изготовлении упаковок, декора, обложек и т. д.).В области лазерной резки до сих пор продолжаются поиски оптимального способа управления излучением. Одним из таких способов является применение дифракционных оптических элементов (ДОЭ) [1].

По сравнению с линзовой оптикой дифракционные элементы обладают более широкими возможностями в плане перераспределения энергии в пространстве. Например, многопорядковые дифракционные делители пучка позволяют одновременно реализовать несколько энергетических источников на обрабатываемой поверхности в разных местах [7]. Одновременная реализация ряда параллельных процессов приводит к расширению технологических возможностей лазерной резки [8].

Жесткая взаимосвязь между отдельными лучами, обеспечиваемая ДОЭ, позволяет повысить требования к точности обработки, а выполнение раскроя по симметричным контурам – исключить холостые перемещения. При воздействии лазерного излучения на материал происходит изменение его температуры в отдельных точках [9, 10]. Моделирование процессов нагрева и охлаждения материала под действием движущегося пучка лазерного излучения позволяет прогнозировать результаты лазерной резки, а также выбрать оптимальные параметры, определяющие качество реза.

Современные программные средства (ANSYS, COMSOL и др.) облегчают решение задач расчета тепловых процессов в твердых телах, а также дают возможность физического моделирования непосредственно разделения материала при резке [11]. Целями данной работы являются исследование процесса формирования многопорядковыми дифракционными делителями пучка технологического лазера поверхностных энергетических источников и моделирование процесса резки тонких листов картона по симметричным контурам при воздействии таких источников в программном пакете ANSYS. 2. Формирование излучения дифракционными делителями пучка В данной работе в качестве делителей пучка были использованы дифракционные элементы – делители лазерного пучка на два и четыре порядка соответственно, их фотошаблоны показаны на рисунках 1 и 2. Известно, что отражающим делителем пучка на два порядка может являться обычная дифракционная решетка.

В данном случае берем структуру с бинарным рельефом, период которой равен 600 мкм (рисунок 1). Расчет делителя на четыре дифракционных порядка проводился в программном обеспечении «FanOut2D» версии 2.01 [12], разработанным в Институте систем обработки изображений Российской академии наук (ИСОИ РАН) Волотовским С.Г. (рисунок 2). Оба элемента рассчитывались для работы на отражение излучения CO2-лазера (длина волны 10,6 мкм) с поворотом освещающего пучка на 90°.

Регистрация распределения интенсивности излучения, формируемого ДОЭ, проводилась в режиме реального времени с использованием болометрической ИК-камеры XPORT-317, работающей в диапазоне длин волн 8–14 мкм. Наличие в оптической системе этого прибора влечет за собой установление ограничений по мощности лазерного пучка. По этой причине использовался LCD-1A номинальной выходной мощностью 1 Вт. Диагностическая система для регистрации параметров сформированного излучения, представлена на рисунке 3. Для регулировки поперечного размера лазерного пучка в оптическую систему включена диафрагма.

Полное содержание статьи: http://repo.ssau.ru/bitstream/Informacionnye-tehnologii-i-nanotehnologii/Ispolzovanie-difrakcionnyh-opticheskih-elementov-dlya-lazernoi-rezki-tonkolistovogo-kartona-

Рекомендуем для Вас


© Интернет журнал "ЛАЗЕРНЫЙ МИР", 2019
Напишите нам:
laser.w@yandex.ru

Back to Top