Лазерная обработка: структурирование и полировка твёрдых материалов

Инструменты, изготовленные из таких твёрдых материалов и керамики, как карбид вольфрама, отличаются высокой износостойкостью. Однако инструменты, используемые для их производства, изнашиваются ещё быстрее — если только вместо них не используется лазерный луч. Исследователи из Института лазерной техники имени Фраунгофера ILT разработали технологическую цепочку, позволяющую формировать и полировать детали из твёрдых материалов с помощью лазера, работающего на ультракоротких импульсах (УКИ), без необходимости смены зажимного приспособления.

Дрели, фрезерные головки, ролики и даже пуансоны из твёрдых керамических материалов не только эффективно обрабатывают заготовку, но и служат значительно дольше. Однако та же износостойкость, которая делает их такими долговечными в производстве, представляет серьёзную проблему при их изготовлении. Инструменты, используемые для их формования и финишной обработки, считают твердые сплавы, металлокерамику и керамику «крепким орешком», и при использовании механических методов обработки износ оказывается соответственно высоким.

УКИ-лазеры работают там, где механические процессы достигают своих пределов

С ультракороткими лазерными импульсами ситуация иная. Даже коммерчески доступные УКИ-лазеры мощностью от 20 до 40 Вт способны эффективно удалять твёрдые материалы, применяемые в производстве инструментов. Материал испаряется в точке попадания высокоэнергетических импульсов, длящихся всего несколько пикосекунд. Поскольку это происходит на частотах в мегагерцовом диапазоне, скорость абляции материала достигает 100 см² в минуту. Однако потенциал УКИ-обработки не ограничивается формированием материалов путём их испарения.

Исследователи из Института лазерной техники имени Фраунгофера ILT в Аахене разработали технологическую цепочку, в которой один и тот же УКИ-лазер не только формирует и структурирует поверхность методом абляции, но и последующей полировкой обрабатывает поверхности инструментов.

«УКИ-лазер — это универсальный инструмент, который мы используем для выполнения различных этапов обработки, иногда в рамках одной и той же операции зажима», — говорит Зонке Фогель, руководитель группы 3D-структурной абляции во Fraunhofer ILT, который развивал этот процесс вместе с Астрид Зассманнсхаузен, руководителем группы структурирования прозрачных материалов.

Ключ к объединению этапов процесса кроется в параметризации лазера: в то время как материал абляционно удаляется при высокой энергии импульса и низкой частоте повторения, для полировки используется обратный принцип. УКИ-лазер подаёт энергию в поверхность заготовки с частотой до 50 МГц, где эта энергия накапливается и расплавляет лишь верхние 0,2–2,0 микрометра. Материал не испаряется, а образует расплавленную плёнку, которая благодаря поверхностному натяжению разглаживается и затвердевает при охлаждении. Свойства поверхности также могут контролироваться через управление процессом.

«С помощью УКИ-полировки, например, можно сгладить микронеровности, сохраняя при этом макроскопические структуры», — поясняет Зассманнсхаузен. Кроме того, лазерный процесс позволяет полировать сложные 3D-поверхности с микрометровой точностью. Определённые участки могут обрабатываться выборочно для локальной корректировки свойств поверхности или для обработки только необходимых зон, что экономит время.

Таким образом, УКИ-полировка дополняет существующие методы лазерной макро- и микрополировки, обеспечивая ещё большую точность и локализованный контроль.

Эффективный процесс для промышленной обработки твёрдых материалов

В зависимости от требований процесса, лазерная полировка достигает скорости обработки поверхности от десяти до 100 см² в минуту, что почти сопоставимо со скоростью предшествующей абляции материала. «Комбинация обоих процессов с использованием лазера в одной операции зажима позволяет компаниям расширить спектр услуг с помощью существующих УКИ-лазеров или значительно ускорить окупаемость новой покупки», — объясняет Зассманнсхаузен.

Прежде всего, этот метод подходит для замены механических процессов обработки твёрдых материалов, что положит конец значительному износу инструментов, связанному с их производством. Это не только снижает затраты, но и повышает ресурсо- и энергоэффективность на практике. По словам Зассманнсхаузен и Фогеля, потенциал комбинации процессов далеко не исчерпан. Благодаря более быстрым полигональным сканерам, более высокой мощности лазера и увеличенным лазерным пятнам скорости обработки поверхности могут быть значительно увеличены. Заинтересованные промышленные партнёры приглашаются к совместной работе над оптимизацией процессов с исследовательской группой Fraunhofer ILT.