Лазерный мир

В работе представлен метод микроструктурирования поверхности металла излучением импульсного волоконного лазера со сканаторной системой перемещения пучка света. Заданный топографический рельеф смоделирован в графическом редакторе, после чего изготовлен на экспериментальном материале. Создана матрица параметров, которая позволяет определить оптимальные режимы работы лазерной установки для обработки конкретного материала. Описаны три стадии процесса микроструктурирования (профилирование, очистка и полировка) и соответствующие им геометрические параметры изготовленных структур. Разработан метод понижения уровня шероховатости рельефа Ra и Rz.

Хорошо известно, что физико-химические свойства поверхности (механические, химические, оптические и др.) в значительной мере определяются ее микрогеометрией [1]. Машиностроительные, биомедицинские, декоративно-прикладные и другие отрасли промышленности нуждаются в технологиях микроструктурирования, так как они позволяют
улучшить эксплуатационные характеристики поверхности (износостойкость, коэффициент трения, адгезионная способность, коррозионная стойкость, электрическая прочность и др.).

Сравнительно новым методом формирования
микрорельефа поверхности, который исследуется и применяется во всем мире в самых различных областях промышленности, является лазерная микрообработка [2–4]. Однако в большинстве работ рассматривается задача
оптимизации конкретной поверхности для решения определенной проблемы [5]. При этом решение каждой иной задачи требует проведения полного цикла трудоемких исследований. Более перспективно установить универсальные закономерности формирования различных регулярных рельефов под действием лазерного излучения, что позволило бы значительно сократить период экспериментального формирования определенной микрогеометрии.

В данной работе основное внимание уделяется формированию микроструктур правильной геометрической формы с характерными величинами высотных и латеральных параметров [6]. Показана возможность создания микрогеометрических структур на поверхности металла
и оптимизация режимов лазерного формирования. В результате установлена связь между параметрами лазерного воздействия и геометрическими характеристиками поверхностных структур.

Для создания поверхностных структур использован метод лазерной микроабляции [7]. 

При многократном повторении этого процесса
на поверхности образуется система углублений, или канавок, форма и взаимное расположение которых может программно изменяться [8].

Экспериментальная установка

Эксперимент проводился на базе установки для прецизионной лазерной маркировки с импульсным волоконным лазером и сканаторной системой наведения светового луча [9]. Технические характеристики установки представлены в табл. 1.

Исходным и прямым назначением выбранной установки является лазерная маркировка поверхности металлов.

Однако ее конструкция имеет универсальный характер:

• оптоволокно обеспечивает подвод излучения к зоне обработки,
• зеркально-линзовая система фокусирует лазерный пучок в любую область поля,
• дополнительная система вертикального позиционирования позволяет обрабатывать различные плоскости изделия.

Указанные технические характеристики делают данную установку многофункциональной. Перечень ее технологических возможностей включает в себя маркировку,
резку металла, нанесение оксидных пленок, прошивку отверстий и, наконец, объемное микроструктурирование, которому посвящена настоящая работа.

Создание графической модели

Для создания графических моделей использовалась программа ArtCam. В данной программе формируется объемное изображение планируемой геометрии поверхности. Технологии лазерного микроструктурирования осуществляются в режиме лазерной абляции. В графическом
редакторе создается изображение в оттенках серого цвета. Программа ArtyRay4 разбивает изображение на 256 слоев. Каждый слой обрабатывается отдельно и имеет свои границы
изображения.

Процесс структурирования в данной работе
предложено осуществлять в 3 стадии.

• Первая стадия (абляция) – 3D удаление поверхностных слоев. Толщина удаленного слоя H может достигать 300 мкм за один проход лазерного излучения по зоне обработки.
• Цель второй стадии – очистка материала от
  продуктов горения материала с поверхности металла после процесса абляции.
• Третья стадия – полировка поверхности. Характеризуется снижением степени шероховатости поверхности обрабатываемого материала.

Результаты эксперимента

Планировалось создание 3D-микроструктуры
в виде полусферы и полусферы с шестигранником в основании [13] для холодной прокатки стали, где необходима достаточно развитая поверхность для ее последующей защиты покраской.

Полная высота структуры и плотность расположения таких объектов на плоскости определяется поставленной задачей.

Снижение степени шероховатости может
быть достигнуто на этапе заключительного процесса полировки поверхности. Процесс полировки поверхности дает шероховатость порядка Ra ≈ 0,3 мкм, Rz ≈ 1,5 мкм, что ниже шероховатости изначально необработанной поверхности.
Время выполнения структуры, представленной на рис. 2а, составляет 4 мин, а на рис. 2б –30 мин. За это время были выполнены выборка и очистка структуры.

Заключение

В проведенной работе на примере Стали 10
рассмотрена технология микроструктурирования
поверхности. Получены поверхностные рельефы в виде растров, пирамид, конусов, полусфер, цилиндров, изображений. Существенно, что, изменяя поверхностную топографию металла, можно модифицировать различные свойства поверхности: механические, оптические, электрические и т.д., при этом каждый материал, конечно, требует индивидуальных параметров лазерной обработки.
Заметим, что на использованной установке точность и производительность этой технологии ограничены рядом факторов: разрешающей способностью фокусирующей оптики, разрешением и полем сканирования пучка, разумным
временем обработки и т.д.
Однако, уже в том виде, в котором она сейчас существует, подобная технология может найти применение в различных промышленных процессах: при холодном и горячем тиснении в автомобильной промышленности [16, 17], для увеличения коррозионной стойкости проката в металлургической промышленности [18], повышения адгезионной способности поверхностей при лакокрасочных операциях [19, 20], в ювелирной промышленности для изготовления клейм штампов, в микроэлектронике при обработке пленочных элементов [21], для изготовления отражающих оптических растров и т.д.

Предложенный метод формирования поверхностного рельефа имеет определенные преимущества перед такими традиционными методами, как фрезерование, вибронакатка,
плазменное структурирование, масочное проецирование [22] и др. благодаря комплексу своих характеристик, из которых важнейшими являются следующие:

•  управляемость (программируемость) рельефов, что ставит этот метод вне конкуренции при частой сменяемости продукции (вида рельефа) или при его малых сериях;
• возможность микроструктурирования практически любых материалов, в том числе твердых сплавов, стекол и керамик, используя разные длины волн лазеров – видимый диапазон (волоконные и т.п. лазеры), ультрафиолетовые
  (эксимерные и др. лазеры), инфракрасные (СО2 и др. лазеры);
• бесконтактность, что делает этот метод благоприятным для конвейерного производства;
• минимальное механическое воздействие на окружающий материал, в том числе на тонких и хрупких поверхностях;
• возможность нанесения рельефа на неплоские поверхности и т.д.

Предложенный метод формирования микрогеометрии поверхности с помощью объемноуправляемой абляции может быть использован для отработки основ лазерной инженерии поверхности в различных отраслях промышленности.
Работа выполнена при государственной финансовой поддержке ведущих университетов Российской Федерации (субсидия 074-U01), гранта Президента РФ для государственной поддержки ведущих научных школ РФ № НШ 1364.201 и гранта РФФИ ОФИ_М № 4-29-07227.

Полное содержание на https://opticjourn.ru/ru/article/2015-82-12-70-77