Технологии

В основе лазерной резки лежит термическое воздействие на материал поглощенного лазерного излучения. При падении лазерного излучения на материал эффективность использования энергии лазерного пучка зависит от свойств поверхности материала, в частности от коэффициента отражения. Коэффициент отражения представляет собой отношение интенсивности отраженной световой волны к интенсивности падающего лазерного пучка и определяется оптическими характеристиками материала и состоянием поверхности. На практике часто пользуются термином коэффициент поглощения, который характеризует поглощение материалом излучения с определенной длиной волны. Коэффициент поглощения полимеров для ИК – излучения (5-15 мкм) лежит в пределе 0,98 – 0,86, а для видимого и ближнего ИК диапазона (~ 1мкм) эти значения ниже. В отличие от металлов, в которых поглощение излучения происходит у поверхности в скин-слое толщиной порядка 10-9 м, толщина поглощающего слоя у полимерных материалов гораздо больше, т.е. во многих случаях лазерный нагрев можно считать объемным.

Механизмы поглощения излучения в полимерах достаточно сложны и могут существенно отличаться в разных спектральных диапазонах. Это обстоятельство затрудняет определить параметры лазерной резки полимера расчетным путем. Только накопленные экспериментальные данные позволяют с некоторой точностью выбирать параметры лазерной резки.

Лазерная резка полимерных и композиционных материалов широко используется в технологических процессах изготовления изделий. Использование лазерного излучения (ЛИ) позволяет решать сложные технические задачи, автоматизировать технологические процессы, значительно повысить производительность и качество изделий.  В основе процесса лазерной резки полимеров и композитов лежат термохимические и термофизические механизмы разрушения материалов. Энергия лазерного излучения поглощается материалами, преобразуется в тепло, которое вызывает быстрый нагрев и разрушение материала.

Эффективность лазерного разрушения полимерных материалов зависит от количества поглощенной энергии при определенной плотности мощности. При действии ИК лазерного излучения (СО2 , СО – лазеры) на полимеры и композиты происходит поверхностное поглощение энергии, глубина слоя составляет от долей до десятков микрометров и зависит от состава полимера и композита. Время релаксации лазерной энергии в тепло в полимерных материалах составляет 10-12 - 10-3 с, что является высокоинтенсивным источником нагрева.  На процесс разрушения полимерных материалов большое влияние оказывают теплофизические свойства материала. Для большинства полимеров коэффициент теплопроводности лежит в пределах (0,15, 0,50) х 10-2 Вт/см х К. Полимеры являются плохими проводниками тепла и все эффекты, связанные с разрушением, будут поверхностными.

Процессы разрушения полимеров под лазерным излучением имеют отличительные особенности, по сравнению с металлами. Кинетика и механизм лазерного разрушения полимерных материалов зависят от их строения и сильно различаются, что создает определенные сложности в обобщении фактов процесса разрушения полимеров.

Полимеры подразделяются на три категории в зависимости от поведения их при лазерном воздействии:

• А) полимеры, которые плавятся и разбрызгиваются;

• Б) полимеры, образующие на поверхности слой угля;

• В) полимеры, испаряющиеся без остатка.

В группу А входят в основном термопластические полимеры: полиэтилен, полипропилен, полиэтилен – сукцинат, нейлон, капрон, полистирол, полиметилметакрилат (ПММА).

К группе Б относятся, прежде всего, ароматические термоактивные полимеры (полибензимидазол, полицианураты, полифенилены), а также некоторые термопласты (полифениленоксид, полифенилхиноксалин, полиарилат и др.); поликарбонат (ПК); полифторхлорэтилен (ПТФХЭ).

К группе В принадлежат полимеры: политетрафторэтилен (ПТФЭ), полиметилстирол, полиэтилметакрилат, а также ПММА и ПС.

Сложность выбора технологических режимов лазерной резки неметаллических композиционных материалов состоит в том, что армирующие волокна и связующие имеют разные характеристики, такие как теплопроводность, температуры испарения и плавления, оптические свойства для заданных длин волн и др. Теплопроводность волокна является анизатропическим свойством, тогда как для связующего это объемное свойство.

Результаты экспериментальных исследований по лазерной резке полимерных материалов показали, что различие в теплофизических свойствах у составляющих материал компонентов требует оптимизации энергетических и пространственных параметров лазерного излучения, используемого для резки, а также скорости резки. Для обеспечения высокого качества реза необходимо использовать одномодовое излучение с гауссовым распределением, которое обеспечивает локальность нагрева и разрушение композита.

Изучая действие лазерного излучения с различными длинами волн было установлено, что композиты на основе стеклотканей (Т10+ЭБСМ и др.), органотканей (СВМ+ЭЛУР – 008ПА), углетканей (УТ – 900-30А) можно резать лазерным излучением СО2 - лазера, АИГ – лазера и Си – лазера соответственно 10,6 мкм; 1,06мкм и 0,578 мкм. Необходимо заметить, что качество реза повышается при использовании импульсно-периодического характера излучения.

Лазерная резка неармированных полимеров имеет свои особенности, которые зависят от теплофизических свойств обрабатываемых материалов:

Резка акрилового стекла. Обычный режим лазерной резки представляет собой процесс воздействия лазерного излучения на материал, перемещение зоны воздействия и подача сжатого воздуха в зону воздействия. Поверхность реза имеет характерную шероховатость в виде «зубцов», это обуславливается физикой процесса лазерной резки в данном режиме. Режим полировального реза. При этом режиме сжатый воздух не подается в зону реза, скорость реза уменьшается. При данном воздействии лазерного излучения происходит оплавление поверхности реза и под действием сил поверхностного натяжения образуется полированная поверхность. На цветном акриловом стекле эффект полированного реза выражен слабее. Следует заметить, что акрил склонен к образованию микротрещин по торцу реза.

Резка вспененных ПВХ пластиков. Торцевая поверхность реза имеет коричневый цвет. Образующиеся в процессе резки пары ПВХ впитываются в пористую поверхность реза, придавая ей темную окраску на некоторую глубину. Увеличение подачи воздуха в зону реза несколько снижает черноту реза, переходящую в светло-коричневую.

Резка полистирола. При резке полистирола преобладают процессы плавления. Если в зону резки подается сжатый воздух при небольшом давлении, то на нижней поверхности реза образуется, облой. При увеличении давления облой, уменьшается, но образуются нитевидные продукты разрушения, выдуваемые из зоны резки. Скорость резки полистирола несколько меньше чем у акрилового стекла.

Резка полиэфирного стекла ПТЭФ. Данный материал хорошо режется лазерным излучением. Торцевая поверхность реза прозрачная, шероховатость несколько меньше чем у акрилового стекла.

Представленный краткий анализ видов полимерных материалов и композитов, показывает сложность механизма разрушения при лазерном воздействии. Оптимальные параметры лазерной резки этих материалов зависят как от структуры материалов, так и от метода их получения, от состава. Выбор обработки зависит от оптических свойств полимеров.

Ю.В. Голубенко, А.В. Бондарев, К.В. Пономаренко

Источник: Лазер Сервис