Лазерный мир

Бонк Д.М., Лубкова Я.Э., Тареева М.В. // В сборнике: Оптические технологии, материалы и системы (Оптотех — 2025). Международная научно-техническая конференция. Москва, 2026. С. 194-200.

Аннотация: В работе проведена первая серия экспериментов сравнительного анализа режимов лазерной обработки древесины инфракрасным и ультрафиолетовым источниками и подбора оптимальных параметров оптического излучения для получения ряда матриц изображений для дальнейшей обработки результатов и выявления характеристик лазерных импульсов, при которых будет получено наилучшее качество резки и гравировки на дереве.

ВВЕДЕНИЕ

Лазерная обработка дерева — современный технологический метод резки, гравировки и маркировки древесины и изделий из неё при помощи направленного лазерного луча. Процесс широко применяется в промышленности, ремесле, дизайне и архитектуре благодаря высокой точности, гибкости и скорости обработки материала.

Метод лазерной гравировки основан на уникальной технологии, которая заключается в постепенном удалении очень тонких слоев материала с помощью сфокусированного светового луча. Лазерный луч концентрирует энергию в малой зоне и при взаимодействии с древесиной энергия поглощается, вызывая локальное нагревание, которое приводит к:

• испарению и сгоранию древесных волокон (резка);
• термическому обугливанию поверхности (гравировка);
• модификации цвета и текстуры (маркировка).

ЛАЗЕРНАЯ РЕЗКА И ГРАВИРОВКА ДРЕВЕСИНЫ

Длина волны лазера влияет на поглощение излучения деревом: инфракрасные волны (≈0.8–10 μm) сильнее поглощаются целлюлозой и водой; видимые обычно частично проходят или отражаются; ультрафиолетовое излучение сильнее поглощается поверхностью и вызывает химические изменения.

Различные параметры лазерного излучения определяют режим взаимодействия с веществом, например, мощность и плотность энергии (энергия на площадь, J/cm²) влияют на нагрев, пиролиз, испарение материала, образование плазмы. Длительность импульса тоже оказывает влияние: долгое низкоинтенсивное нагревание отличается от кратких мощных импульсов, при которых тепло не успевает рассеяться.

Также на конечный результат влияют и сами свойства древесины: порода, влажность, плотность, структура волокон, наличие смол и красящих веществ изменяют поглощение и тепловое поведение. Важны и условия окружающей среды: доступ кислорода, приводящий к возгоранию, теплоотвод, охлаждение и конвекция.

ОСНОВНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ

Поглощение и нагрев. Лазерная энергия поглощается компонентами древесины (вода, целлюлоза, лигнин) и превращается в тепло. Температура вокруг точки воздействия растёт: сначала происходит сухая термическая деградация, затем термохимические реакции, и далее пиролиз (термическое разложение). При температуре нагрева вещества до ~200–400

°C органические компоненты разлагаются и выделяются летучие соединения и древесный газ, в результате чего образуется древесный уголь (углеродистый остаток), меняющий оптические свойства поверхности.

Водяное испарение и образование давления на дереве. Влага быстро превращается в пар; при быстром нагреве локальное давление может вызывать механическое разрушение волокон и образование трещин.

Воспламенение и горение. При наличии кислорода и достаточной температуры (>~300–400 °C в локальной зоне) выделенные газы могут воспламеняться, начинается горение.

Испарение и удаление материала (резка/гравировка). При достаточной плотности энергии материал плавится/испаряется и удаляется из зоны луча, образуя пропил или канал.

Плазменные и ударно-волновые эффекты (при очень высокой интенсивности). Короткие мощные импульсы могут ионизировать материал, образуя плазму, что сопровождается световым излучением и ударными волнами, расширяющими зону разрушения.

РЕЖИМЫ ОБРАБОТКИ И ИХ ПОСЛЕДСТВИЯ. ВНЕШНИЕ ФАКТОРЫ И СВОЙСТВА ДРЕВЕСИНЫ.

Режим гравировки низкой мощности/длительного воздействия приводит к поверхностному потемнению, химической модификации, образованию углерода, что полезно для декоративной гравировки.

Режим чистой резки высокой мощности/постоянного излучения образует пропил с подгоревшими краями; требуется контроль скорости и подачи для минимизации обугливания.

Режим импульсной обработки ультракороткими импульсами оказывает минимальный тепловой шок, дает чистые края, уменьшенное обугливание; эффективен для точной микромеханики.

Режим с высоким содержанием кислорода/пламени образует усиленное горение и делает более широкой термическую зону повреждения. В результате практических наблюдений и последствий можно выделить обугливание по краям реза; глубокая резка требует оптимизации скорости и мощности. Тёмный налёт (углерод) ухудшает адгезию покрытий и может потребовать очистки.

Влажность усиливает парообразование и риск растрескивания, снижает эффективность абляции.

Влияние породы дерева на качество обработки: мягкие породы легче испаряются, твердые породы дают более выраженное обугливание. Изменения механических свойств в зоне термического воздействия приводит к ухудшению прочности, образованию микротрещин.

ЭКСПЕРИМЕНТ

В работе проводилась серия экспериментов по созданию на фанере матриц изображений лазером, у которого изменялись параметры излучения, такие как: мощность, частота следования импульсов, количество проходов луча (повторов), скорость его движения, количество нанесенных линий, расстояние и угол между ними. В эксперименте использовались два источника света: инфракрасный газовый CO2-лазер с длиной волны генерации 10,6 мкм и ультрафиолетовый твердотельный лазер с диодной накачкой на кристалле Nd:YVO4, работающий на длине волны 355 нм. На каждом лазере с определенным шагом менялись вышеуказанные параметры излучения, и эксперименты проводились при четырех разных линзах с фокусными расстояниями f=100, 160, 254, 330 мм. Серии опытов на обоих источниках были аналогичными.

В первой части эксперимента визуально оценивалось качество полученной маркировки. Удовлетворительным считалось, если изображение четко визуализировалось, не являлось бледным, при этом не было гари и сильного потемнения. Ниже приведены результаты первых экспериментов.

СО2-ЛАЗЕР

Линза с фокусным расстоянием f=160 мм.

Изменение мощности в диапазоне от 10 до 52,5 Вт с шагом 2,5 Вт. Удовлетворительные значения все от 17,5 до 52,5 Вт, лучшее — 17,5 Вт.

Изменение расстояния между линиями в диапазоне от 5 до 40 мкм с шагом 5 мкм и угла между ними от 0° до 135° с шагом 45°. Удовлетворительные значения расстояний все от 30 до 40 мкм, все значения углов, лучшее качество изображения при 40 мкм и 90°.

Изменение скорости движения луча в диапазоне от 500 до 2500 мм/с с шагом 100 мм/с.

Удовлетворительные значения все от 500 до 1100 мм/с, лучшее — 800 мм/с.

Изменение количества повторов прохода луча в диапазоне от 1 до 12 (более 12 приводит к сильному горению) с шагом 1. Удовлетворительные значения все от 1 до 3, лучшее – 1 проход.

Изменение частоты следования импульсов в диапазоне от 20 до 24 кГц с шагом 2 кГц.

Удовлетворительные значения все от 12 до 24 кГц, лучшее – 18 кГц.

Аналогичная серия экспериментов была проведена для линз с фокусными расстояниями 100, 254, 330 мм, и подобраны следующие оптимальные параметры излучения:

f=100 мм: Мощность – 30 Вт, частота — 18 кГц, скорость – 100 мм/с, количество повторов – 1, расстояние между линиями — 20 мкм, угол – 90°.

f=254 мм: Мощность – 2 Вт, частота – от 6 до 24 кГц, скорость – от 700 до 1300 мм/с, количество повторов – 1, расстояние между линиями — 40 мкм, угол – 90°.

f=330 мм: Мощность – 9 Вт, частота – от 6 до 24 кГц, скорость – от 300 до 700 мм/с, количество повторов – 1, расстояние между линиями — 40 мкм, угол – 90°.

ND:YVO4-ЛАЗЕР

Линза с фокусным расстоянием f=160 мм. Мощность постоянная — 3 Вт.

Изменение расстояния между линиями в диапазоне от 5 до 40 мкм с шагом 5 мкм и угла между ними от 0° до 135° с шагом 45°. Удовлетворительные значения расстояний все от 25 до 40 мкм, все значения углов, лучшее качество изображения при 40 мкм и любом угле.

Изменение скорости движения луча в диапазоне от 50 до 500 мм/с с шагом 50 мм/с.

Удовлетворительные значения от 200 до 300 мм/с, лучшее — 250 мм/с.

Изменение количества повторов прохода луча в диапазоне от 1 до 12 (более 12 приводит к сильному повреждению поверхности) с шагом 1. Удовлетворительные значения все от 1 до 3, лучшее – 2 прохода.

Изменение частоты следования импульсов в диапазоне от 20 до 150 кГц с шагом 10 кГц.

Удовлетворительные значения все от 30 до 110 кГц, лучшее – 100 кГц.

Аналогичная серия экспериментов была проведена для линз с фокусными расстояниями 100, 254, 330 мм, и подобраны следующие оптимальные параметры излучения:

f=100 мм: Частота – 50 кГц, скорость – от 150 мм/с, количество повторов – 2-3, расстояние между линиями — 15 мкм, угол – 90°.

f=254 мм: Частота – 50 кГц, скорость – от 500 до 700 мм/с, количество повторов – 2-3, расстояние между линиями — 40 мкм, угол – угол 0° до 135°.

f=330 мм: Частота – от 20 до 30 кГц, скорость – от 500 до 650 мм/с, количество повторов – 1-2, расстояние между линиями — 40 мкм, угол 0° до 135°.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных экспериментов была проведена только визуальная оценка качества полученного изображения на деталях из фанеры. Это необходимый первый этап для дальнейшей более глубокой оценки влияния параметров лазерного излучения на маркировку, гравировку, резку различных пород древесины. В результате опытов были отобраны оптимальные импульсные характеристики лазеров, при которых будут наноситься новые матрицы для дальнейшей оценки при помощи микроскопа шереховатости и глубины травления материала. Итоговой целью работы является определение влияния зоны перетяжки лазерного луча ультрафиолетового и инфракрасного источников на качество изображения и подбор оптимальных параметров и выбор самого источника излучения для получения наилучшей маркировки и четкой гравировки и резки древесины без нагара.

Видео по теме: Лазерная резка и гравировка по дереву СО2 лазером