Prelucrarea cu fascicul de fotoni

7/24/2019 Prelucrarea cu fascicul de fotoni

1/54

C A P I T O L U L 8PRELUCRAREA DIMENSIONALA CU FASCICUL DE FOTONI

8.1. Schema de principiu a procedeuui

Procedeul are la baz transformarea energiei cinetice a fotonilor

concentrai i focalizai n energie termic la interaci unea cu suprafaa de

prelucrat.

Fasciculul de fotoni se obine ntr-un generator cuantic numit n literatura

de specialitate laser (lumin amplificat prin stimularea emisiei de radiaie).

Laserul este un generator de radiaii electromagnetice, cu lungimi de und

ncepnd din domeniul ultra!iolet i e"tinzndu-se pn la infrarou ndeprtat.

#timularea emisiei de radiaie se realizeaz prin aplicarea asupra ionilor,

atomilor sau moleculelor a unei energii de e"citaie care, n anumite condiii

determinate, produce emisie de lumin.

Principiul general de funcionare al generatoarelor cuantice numite lasere

se bazeaz pe absoria de energie de ctre un mediu acti! i emiterea acesteia

sub form de radiaie stimulat.

Pentru sistemele atomice aflate n ec$ilibru termodinamic, raportul dintre

numrul sistemelor aflate n stare e"citat Nmi cele nee"citateNneste dat delegea de distribuie a lui %oltzman, de forma&

kT

EE

N

Nnm

n

m

= , ('.)

n care& k este constanta lui %oltzmann Em - En - diferena dintre energia

ni!elului mi cea a ni!elului n(fundamental) T- temperatura.

*


2/54

+in analiza relaiei ('.) se constat c NNN /NipentruE0E

0E0/0Ei, adic populaia ni!elului superior este mai mic dect cea a

ni!elului inferior.

#e pot ns crea situaii cnd populaia ni!elului superior s fie mai mare

dect cea a ni!elului inferior. 1ceast situaie se numete inversiune de

populaie.

2ealizarea in!ersiunii de populaie are loc dac n urma introducerii unei

energii numit radiaie de pompaj au loc interaciuni dintre radiaiile

electromagnetice i sistemele atomice ale substanei acti!e. 3a urmare a acestei

interaciuni se produc dou efecte diferite&- absoria de radiaie,cnd se produce e"citarea sistemului

- emisia simultan de radiaie, cnd are loc deze"citarea sistemului

e"citat, prin interaciunea acestuia cu o cuant de energie incident de aceeai

frec!en cu cea a cuantei de deze"citare.

4n funcie de modul de realizare a in!ersiunii de populaie se deosebesc

urmtoarele tipuri de lasere&- cu mediu activ solid, la care in!ersiunea se realizeaz prin iradiere

optic

- cu semiconductoare,la care in!ersiunea se realizeaz prin in5ecie de

electroni, prin iradiere electronic i iradiere optic

- cu mediu activ gazos,la care in!ersiunea se realizeaz prin ciocniri

neelastice i prin iradiere optic - chimici,la care in!ersiunea se realizeaz prin discocieri c$imice.

6nteraciunea dintre radiaiile electromagnetice i substana acti! se

produce n mod eficient dac are loc ntr-un spaiu denumit rezonator optic.

Forma oglinzilor de capt ale rezonatorului poate fi o suprafa plan

(rezonator tip Fabr7-Perot ca n figura '.), suprafa sferic (rezonator

*


3/54

Radiaie de pompaj

ediu activ

. - 8

!istem de"ocalizare

#iesa-semi"abricat

Fig.'..#c$ema generrii fasciculului laser n rezonatorul cu oglinzi paralele& - rezonator optic - oglind transparent - oglind opac 8 - fascicul de fotoni.

concentric) sau confocal. 2adiaia amplificat iese parial prin suprafaa lentilei

semitransparente paralel cu lentila opac , formnd fasciculul laser 8,

coerent, monocrom, direcional i foarte intens. +atorit timpului scurt n care

se produce emisiunea stimulat i amplificarea (9-*s) i posibilitii de a fi

condus, concentrat i focalizat, fasciculul laser poate a5unge la densiti de

putere de 99:;cm, fasciculul de fotoni putnd fi focalizat pe suprafee mici i

atingnd temperaturi de peste ' 999


4/54

Ect

E

c$

+

=

8rot ('.)

t

$

cE

=rot

('.)

9di!9)di! == E$ ,

('.8)

n care& $ este !ectorul tensiunii cmpului magnetic n !id E - !ectorul

tensiunii cmpului electromagnetic n !id - permeabilitatea dielectric c -

!iteza luminii - conducti!itatea electric specific materialului -

permeabilitatea magnetic.

+in ecuaia ('.), prin transformri se determin legea !ariaiei

amplitudinii undei de lumin care se propag n material, de forma&

=(

9e%% ,

('.?)

n care&%9este densitatea sarcinii dielectrice - coeficient pri!ind sc$imbarea

densitii la timpul t.

1dncimea de ptrundere a undei de lumin depinde de coeficienii de

refracie i absorie. 3oeficientul de refracie nse determin din relaia&

-- )@()(@ n&kn == ,

('.*)

n care& n, ki nsunt coeficienii de refracie, absorie i respecti! coeficientul

comun de absorie.

3oeficientul de absorie se determin din relaia&

'

(

(

cp

cp

=

( , ('.A)

n care& (cp reprezint diminuarea energiei medii de ctre straturile de material

ca urmare a absoriei ' -!aloarea ptrunderii undei de lumin n material

(')nc*8).

*8


5/54

4n condiii reale, metalele se prezint opace pentru undele luminii albe,

ns n cazul interaciunii razelor de nalt densitate (razelor laser) cu materialul,

n stratul superficial al materialului are loc o intens dega5are de cldur.

+ac pe suprafaa unui semifabricat cu parametrii termofizici constani,

se focalizeaz o raz laser de densitate constant, energia total (la suprafaa

materialului se stabilete cu relaia&

() (R+ (n+ (r , ('.')

n care& (r este energia ce trece prin material (R - energia reflectat de

suprafa (cnd aceasta este mat sau acoperit cu un strat absorbant (RB 9)

(n- energia absorbit de material.

4n cazul petei focale de ci!a microni, pe o durat de o milisecund, cu o

densitate de energie de 9A98 :;cm, materialul semifabricatului se topete

instantaneu i se !aporizeaz. 3aracterul i intensitatea procesului depinde n

principal de poziia petei focale, de proprietile termofizice ale semifabricatului

i parametrii energetici ai razei laser.

4n concluzie se poate spune c pentru folosirea n condiii de eficien

te$nic i economic a fascicolului laser este necesar a se analiza urmtoarele

aspecte&

- care este coeficientul de absorie al suprafeei de prelucrat n funcie de

lungimea de und a radiaiei

- care este gradul de reflectabilitate a suprafeei n funcie de lungimea de

und a radiaiei- care este coeficientul de difuzie termic a materialului supus prelucrrii

- care sunt efectele termice ale materialului

- care este rezistena materialului la ocuri termice

- care este calitatea suprafeei.

8.'. U&ia(u #oo"i& a preucrarea dimen"iona% cu #a"cicu de

#o&oni

*?


6/54

4n funcie de mediul acti! folosit, de natura radiaiei de pompa5, de modul

de conducere, concentrare i focalizare a fasciculului laser, precum i n funcie

de natura aplicaiilor sunt numeroase tipuri constructi!e de lasere. 4n principiu,

orice instalaie laser se compune din urmtoarele pri principale&

-sistemul de e'citaie,care creeaz n sistemul atomic o sc$imbare a strii

energetice n !ederea crerii unei in!ersiuni de populaie ntre cele dou ni!ele

energetice. Cste format din sursa de alimentare cu energie electric i sursa de

e"citaie. 3a surse de energie electric se folosesc& acumulatori de energie cu

condensatori de capacitate mare (circa 999 F) la tensiune nalt (de ordinul

9 DE) pentru laserii cu mediul solid ce funcioneaz n impuls redresori pentruintensiti mari de curent (puteri de zeci de D:) pentru laseri cu mediu solid i

funcionare continu generatoare de tensiune continu sau alternati! de nalt

frec!en (9/9 =z) pentru laseri cu gaz funcionnd n regim continuu sau

pulsat

3ele mai folosite surse de e"citaie sunt cele optice. #e utilizeaz de

obicei lmpi cu dascrcare n gaze (lmpi cu "enon)- cavitatea de rezonan cu mediul activ, care realizeaz emisia i

amplificarea fasciculului laser. #unt foarte multe tipuri de ca!iti de rezonan&

cu dou oglinzi sferice confocale cu focar comun i raze de curbur comun

egal cu distana dintre ele, cu oglinzi plane paralele, cu suprafee prismatice cu

refle"ie total, cu oglinzi parabolice confocale etc.

3a medii acti!e se folosesc& materialele solide (de e"emplu& rubinulsintetic ca material suport impurificat cu 3rG, sticla dopat cu neodim samarin

+.

m! , t$elurul H$G, $olmiul G, erbe$ul CrG, neodimul IdG, granatul de 7triu i

aluminiu notat J1K etc.) substanele acti!e gazoase (de e"emplu& e-Ie Ie-

, g, g-Ie etc.) lic$idele acti!e (de e"emplu& soluiile de acid neodimic

dizol!at n o"iclorur de seleniu IdG-#e 3sau n o"iclorur de fosfor IdG-

P3, euratul de bariu n alcool cu ionul acti! CuG

, c$elaii de forma CuM,

**


7/54

CuM8etc., semiconductoarele (arseniatul de galiu-Ka1s sulfura de cadmiu-3d#

arseniura de indiu-6n1s seleniura de plumb-Pb#e etc.)

-sistemul optic de "ocalizare,care realizeaz concentrarea i focalizarea

fasciculului laser n aa fel nct pierderile de energie s fie minime. Cste format

din lentile i oglinzi sferice alese n functie de lungimea de und a fasciculului.

4n calculul lor trebuie inut cont c intensitatea radiaiei nu este constant n pata

focalizat, ea este ma"im n centrul petei i scade cu creterea razei acesteia

- sistemul de rcire, care realizeaz condiiile necesare, n ca!itatea de

rezonan, pentru obinerea unei emisii laser de calitate (intereseaz mai ales

monocromaticitatea). 3ircuitele i modalitile de rcire sunt alese n funcie deconstrucia ca!itii de rezonan, natura mediului acti! i proprietile

fasciculului laser obinut. #e folosesc diferite circuite de rcire, ncepnd de la

circuitele de rcire cu ap la temperatura mediului ambiant, pn la circuitele de

rcire cu gaze lic$efiate

- dispozitivele au'iliare,care au rolul de a deflecta fasciculul laser din

plan orizontal n plan !ertical (pentru a face posibil prelucrarea dimensional amaterialelor), de a conduce i diri5a fasciculul laser dup traiectoria necesar

generrii suprafeelor.

#c$ema de principiu a unei instalaii de prelucrare dimensional cu

fascicul laser, cu mediul acti! solid (cristal de rubin impurificat cu 3rG), se

prezint n figura N.8?. Pentru prelucrarea dimensional a piesei-semifabricat ,

aezat pe masa de uzina5 fotonic , se folosete fasciculul laser , concentrat ifocalizat de lentila A i diri5at cu a5utorul duzei 8 a a5uta5ului *. Pentru protecia

fasciculului laser se folosete un amestec de gaze ?. Fasciculul laser

monocromatic 9, coerent i direcional, din planul orizontal este deflectat n

planul !ertical n zona de prelucrare cu a5utorul unei lentile de defle"ie ', rcit

n permanen N.

*A


8/54

Cmisia laser are loc n ca!itatea de rezonan , ca urmare a crerii

in!ersiunii de populaie cu a5utorul sursei de alimentare i radiaiei de pompa5

.

6nstalaia laser cu mediul acti! solid are eficien deosebit pentru lucrul

n impulsuri (durata 9-8/9-As), atingndu-se densiti de putere de 99/9

:;cm.

. -

9

A

*

?

8

.

-

'

N

,ichid dercire

Fig. '.. #c$ema de principiu a unei instalaii de prelucrare dimensional cu fascicul laser cu mediuacti! solid&

- piesa-semifabricat - masa de uzina5 fotonic - fascicol laser concentrat i focalizat 8 - duz deconducere i protecie ? - gaze de protecie * - a5uta5 A - lentil de focalizare ' - lentil de defle"ie

N - sistem de rcire 9 - fascicol de fotoni orizontal - ca!itatea de rezonan - radiaia depompa5 - surs de alimentare.

#c$ema de principiu a unei instalaii de prelucrare dimensional cu

fascicul laser cu mediul acti! gazos se prezint n figura '..

Piesa de prelucrat , aezat pe masa de uzina5 fotonic , cu posibilitatea

deplasrii i rotirii dup cele trei a"e de coordonate, interacioneaz cu fasciculul

laser , n zona de prelucrat. 3onducerea fasciculului laser se face cu a5utorul

*'


9/54

unor sisteme de comand ce deplaseaz a5uta5ul ? cu !iteza corespunztoare, iar

protecia fasciculului se face cu a5utorul amestecului de gaze *, ce mbrac

concentric fasciculul. Fasciculul laser este focalizat de sistemul de lentile A i

adus n plan !ertical de sistemul de defle"ie N care este rcit n permanen 9.

Pentru a prentmpina e!entuale accidente se folosesc oburatoarele ' i .

Cmisia laser are loc n ca!itatea de rezonan 8 n care are loc descrcarea

electrozilor ?, cuplai la sursa de curent *. Puterea de ieire a laserului cu

mediul acti! gazos depinde de

%ntrare apde rcire

(A

%ntrare gaze

(? (*

('

%e-ire ap

%e-ire gaze

(?

(8 (.(((-

%e-ire

(9

N

%ntrare apde rcire

'

A

*

%ntrare gaze?

8

.

(

-

ap

Fig.'.. #c$ema de principiu a unei instalaii de prelucrare dimensional cu fascicul laser, cu mediuacti! gazos&

- piesa-semifabricat - masa de uzina5 fotonic - fascicul de fotoni concentrat i focalizat 8 -duz ? - a5uta5 * - gaze de protecie A - lentile de focalizare ', - obturator de siguran N - lentil

de refle"ie 9 - sistem de rcire - fascicul de fotoni orizontal - lentil transparent 8 -ca!itate de rezonan ? - tuburi de descrcri * - sursa de curent A - lentil de refle"ie ' -

radiaia de pompa5.

lungimea i diametrul ca!itii de rezonan (tubului de descrcare). +in

considerente constructi!e i de randament s-au construit lasere cu tuburi n

form de ,,O sau cu tuburi paralele. Folosind o radiaie de pompa5 lateral ' sepot obine puteri de pn la *9 D:.

*N


10/54

3a urmare a in!ersiunii de populaie create, n ca!itatea de rezonan are

loc emisia laser care este amplificat de sistemul de lentile opace A i

semitransparent . Laserul cu mediul acti! gazos este eficient pentru lucrul cu

fascicul continuu, realizndu -se densiti de putere de 98/9':;cm.

Pentru di!ersificarea aplicrii laserilor, n ct mai multe domenii se

desfoar o intens acti!itate de cercetare pentru obinerea de emisii laser n

condiii de eficien i, mai ales, pentru obinerea de emisii de puteri mari. 1u

aprut n acest mod laserii cu semiconductori, laserii c$imici, laserii ionici, la

care durata impulsului poate a5unge pn la 9 -s i densiti de energie de

cte!a milioane de ori mai mari dect laserii obinuii.

8.). Parame&rii proce"uui de preucrare dimen"iona% cu #a"cicu de

#o&oni

Prelucrarea dimensional cu fascicul de fotoni a anumitor materiale

presupune o corelare optim a parametrilor fasciculului laser (energia

impulsului, durata impulsului, numrul de impulsuri, diametrul petei defocalizare, poziia focalizrii fa de suprafaa de prelucrat, parametrii energiei

de pompa5 etc.), a parametrilor de material (capacitatea de refle"ie, capacitatea

de absorie, densitatea, temperatura de topire, temperatura de !aporizare,

conducti!itatea termic etc.) cu caracteristicile te$nologice cerute suprafeei

prelucrate (form i dimensiuni, seciunea longitudinal i trans!ersal, precizie

dimensional, rugozitatea suprafeei, adncimea zonei influenate termicetc.).+e obicei, desprinderea i ndeprtarea particulelor de material se produce

sub aciunea factorilor termici ce pro!oac topirea i !aporizarea materialului,

care este e"pulzat din zona de prelucrare datorit presiunii !aporilor formai.

1dncimea de topire , a materialului, sub aciunea unui impuls laser se

determin cu relaia&

)(Q*,9

pit

tt., = , ('.N)

A9


11/54

n care& este densitatea materialului - densitatea de putere t -cldura

latent de topire ti- timpul de ncepere a nclzirii tp- timpul de terminare a

nclzirii.

1dncimea aleza5uluihi diametrul aleza5ului/se determin cu relaiile&

+

=

tgtg

.

tg9

.

9

.

.

9 /

.

E/h ('.9)

.;

9

.

9

tg.-

+=.

E// , ('.)

n care& /9 este diametrul iniial al fasciculului laser E - energiaimpulsului- ung$iul conului de focalizare 9- energia specific de !aporizare

a materialului.

Pentru e"ecuia aleza5elor adnci trebuie s se foloseasc un sistem optic

cu a5utorul cruia s se obin pentru !aloarea zero. +e asemenea, din analiza

relaiilor ('.9) i ('.) se constat c adncimea de ptrundere depinde de

energia radiaiei, dependen liniar pn la anumite limite cnd eficienaprelucrrii scade datorit fenomenului de ecranare (fenomen produs de

dega5area !aporilor metalului de prelucrat).

Prelucrabilitatea cu fascicul de fotoni este n mare msur condiionat i

de constantele termofizice ale materialului de prelucrat. La prelucrarea

dimensional cu ndeprtare de material, regimul de prelucrare trebuie astfel

condus nct temperatura zonei de interaciune fascicul-laser-obiect s fie maimare dect temperatura de !aporizare.

Forma geometric a suprafeelor aleza5ului prelucrate este influenat de

modul de interaciune dintre radiaia laser i material. Keometria craterului de

ptrundere n material depinde de felul focalizrii i de cum s-a reglat poziia

focarului n raport cu suprafaa de prelucrat. Forma aleza5ului n funcie de zona

n care se face focalizarea fasciculului de fotoni se prezint n figura '.

A


12/54

1sigurarea preciziei de prelucrare depinde de reglarea sistemului optic al

rezonatorului, reglarea lentilelor de focalizare, fi"area poziiei suprafeei de

prelucrat etc.

a b c

Fig.'.8. Forma aleza5ului n funcie de zona de reglare a focarului fasciculului de fotoni&a - la ni!elul suprafeei de prelucrat b - n interiorul aleza5ului c - la ieirea din aleza5.

8.*. Po"i+ii&%,ie de u&ii$are ae preucr%rii dimen"ionae cu #a"cicu

de eec&roni

+omeniile de aplicare ale prelucrrii cu fascicul de fotoni sunt rezultatul

proprietilor i caracteristicilor fasciculului laser. Principalele caracteristici

care

condiioneaz domeniile de utilizare sunt&

- permite prelucrarea de la distan fr ca instalaia laser s !in n

contact cu semifabricatul, folosind aparatur optic simpl (fibre optice)

- asupra materialului de prelucrat, fasciculul acioneaz fr impuls

mecanic, deci este posibil prelucrarea peliculelor i straturilor ultrasubiri, fr

pericolul deformrii

- n zona de interaciune a fasciculului laser cu suprafaa de prelucrat se

pot atinge !alori locale foarte mari ale temperaturii, suficiente s topeasc i s

!aporizeze oricare material

- fasciculul laser poate fi concentrat i focalizat n spaii foarte mici,

impulsul putnd a!ea durate foarte mici i densiti de energie foarte mari, ceea

ce permite prelucrarea peliculelor foarte subiri i a orificiilor foarte mici

A


13/54

- zona influenat termic este foarte mic (de '/ ori mai mic dect la

prelucrarea cu fascicul de electroni), suprafaa prelucrat rezultnd cu o duritate

foarte mare (de circa */' ori mai mare dect materialul de baz)

- se pot prelucra materiale n stare de magnetizare sau plasate n cmpuri

magnetice sau electrice, deoarece fasciculul nu este de!iat i nici afectat de

aceste cmpuri

- fasciculul de fotoni este reflectat de suprafaa de prelucrat n proporie

de 9/N?R n funcie de constantele termofizice ale materialului i starea

suprafeei, de aceea sunt necesare msuri speciale n !ederea prelucrri anumitor

suprafee (acoperiri fine antireflectante, sc$imbarea intensitii fasciculului ntimpul prelucrrii etc.).

3te!a din aplicaiile de mare eficien ale prelucrrii dimensionale cu

fascicul de fotoni sunt&

- e"ecuia orificiilor ptrunse (fig. '.?,a) sau neptrunse (fig.'.?, b) cu

diametre !ariind de la ci!a microni pn la 9,? mm, n piese cu grosimi de

9,/,9 mm din materiale dure i e"tradure, electroconductoare ineelectroconductoare (sticl, ceramic, te"tile, mase plastice, lemn etc.).

- e"ecuia orificiilor multiple de la diferite filiere, matrie de in5ecie mase

plastice etc. (fig.'.?, c)

- e"ecuia de perforri n filtre de diamant (fig.'.?, d), de ceramic, din

materiale e"tradure, n pietre preioase i semipreioase pentru lagrele

ceasornicelor i ale aparaturii de mare precizie, n diafragmele aparatelor opticei electronice, n inelele de ferit folosite la memoria calculatoarelor etc.

- prelucrarea canalelor i trasarea reticulelor pentru aparatura optic, cu

lime de ordinul ?/9 m (fig.'.?, e)

- e"ecuia fantelor i orificiilor lenticulare de dimensiuni foarte mici i

configuraie comple" (fig. '.?, f)

A


14/54

- ec$ilibrarea dinamic a celor mai precise aparate (giroscoape de bord),

permind ndeprtarea de material de circa 9-/.9-8g fr aplicarea de fore

mecanice

- calibrarea foarte precis a unor elemente folosite n sc$emele electrice

(capaciti, rezistene, elemente semiconductoare etc.).

- debitarea la dimensiune a unor semifabricate de grosime foarte mic

(folii ultrasubiri) i a firelor ultrasubiri, cu o zon influenat termic foarte

mic i o calitate foarte bun a suprafeei (fig.'.?, g)

- inscripionri i gra!ri (fig.'.?,$) n materiale dure i e"tradure

electroconductoare sau neelectroconductoare etc.

a b

c

de

f

g $

Fig.'.?. 3te!a din cele mai eficiente utilizri ale prelucrrii dimensionale cu fascicul de fotoni&

a - gurirea ptruns b - gurirea neptruns c - e"ecuia orificiilor multiple d - e"ecuia orificiilorcomple"e e - trasarea reticulelor f - e"ecuia fantelor comple"e g - debitri $ - inscripionri igra!ri.

Pe msura dez!oltrii microelectrote$nicii i microelectronicii, apariiei

de noi materiale cu caracteristici fizico-mecanice i fizico-c$imice cu totul i cu

totul deosebite, gama aplicaiilor prelucrrii dimensionale prin microac$iere se

lrgete din ce n ce mai mult, e"istnd premiza c pn n anul 99 aceasta s

reprezinte 9/? R din ntreaga gam de prelucrri dimensionale.

A8


15/54

8.-. Tehnooii de preucrare cu #a"cicu de #o&oni /a"er0

8.-.1 Con"idera,ii enerae

Prelucrarea cu laser const n ndeprtarea materialelor printr-un proces

corozi! produs la incidena unui fascicul de fotoni concentrat cu piesa de

prelucrat. Cnergia fasciculului de fotoni este absorbit de material i

transformat la ni!elul particulelor n energie mecanic i termic. Otilizarea

laserului la prelucrarea materialelor se datoreaz caracteristicilor fasciculului de

a putea fi concentrat pe suprafee foarte mici, precis definite geometric i

dimensional. 4n acest fel, se pot realiza local intensiti mari de radiaie, care

depesc pragul necesar declanrii i ntreinerii proceselor de eroziune. +easemenea, puterea i regimul de funcionare ale oscilatoarelor laser pot fi

diri5ate.

Principalele caracteristici ale prelucrrii cu fascicul de fotoni sunt

prezentate in tabelul '.&

Habelul '.0aracteristici ale prelucrrii laser

31213HC26#H631 2CSOLH1HC=ateriale prelucrate rice materialPuterea soecific TD:;cmU 9?

=ediul de lucru #pecific

Cfectele induse de radiaia laser n materialul piesei depind de

proprietile optice, termice i mecanice ale materialului de prelucrat,

intensitatea sau energia radiaiei, lungimea de und a radiaiei, structura radiaiei

i regimul de funcionare a oscilatorului. 1bsorbia energiei radiante de ctre

materialul piesei depinde de natura i temperatura materialului, rugozitatea i

gradul de purificare al suprafeei piesei etc.

=aterialele metalice absorb foarte bine radiaia laser cu lungimea de und

mai mic de 8 Vm , iar cele nemetalice pe cea cu lungimea de und mai mare de

8 Vm . 1dncimea de ptrundere a radiaiei laser n metale depinde de natura lor

A?


16/54

astfel&

- la cele opace (metale) adncimea este cuprins ntre ?/?9 mm i prin

urmare, masa termic (energia radiaiei) are caracter superficial

- la materialele parial transparente (unele materiale ceramice i

macromoleculare) absorbia are caracter !olumic, deoarece radiaia

ptrunde n adncime.

Avantajele prelucrrii cu lasersunt urmatoarele&

- suprafeele realizate prin prelucrare cu laser au o rezisten bun la

uzur,

- frecare i coroziune- se poate realiza o gam larg de operaii (gurire, sudare, debitare

etc.)

- se utilizeaz la e"ecutarea unor tratamente termice locale sau n zone

greu accesibile, precum i la obinerea materialelor pure.

Dezavantajele folosirii prelucrarii cu lasersunt urmtoarele

-n cazul alegerii necorespunzatoare a sistemului pies dispoziti! de lucrupot apare defecte de form, dimensiuni i suprafee greu de remediat

-folosirea prelucrrii cu laser prezint limitri datorate costului destul de

ridicat al instalaiilor, iar multitudinea parametrilor electrote$nologici care

influeneaz prelucrarea face dificil optimizarea proceselor.

Principalele aplicaii ale utilizrii laserului sunt prezentate n figura '.*.

4n ultimii ani au fost dez!oltate o serie de te$nologii speciale pentru aobtine circuite de nalt frec!en, semiconductoare de putere i sisteme de

afiare, toate fcnd parte din domeniul electronicii dar, n acelai timp,

accentund rolul funcional al microelectronicii clasice.

=icromecanica, optica integrat, electro-optica, senzorii c$imici,

biosenzorii, senzorii polimerici, ingineria senzorilor n te$nologia straturilor

subiri i;sau straturilor groase, senzorii cu unde acustice de suprafa (#1:)

desc$id dimensiuni complet noi ale ingineriei microsistemelor. Pn acum,

A*


17/54

aceste te$nologii au fost tratate separat i se bazau pe diferite alte material ca

Ka1s, ceramic, sticl sau monocristale precum cuarul sau niobatul de litiu. 4n

Fig. '.* 1plicaii ale laserului

prezent, microsistemele sunt construite frec!ent ntr-o manier $ibrid dindiferite componente, folosind te$nologii !ariate n scopul miniaturizrii

rentabile i pentru sporirea functionalitii.

+omeniile importante de aplicatie pentru microte$nologii sunt prezentate

in figura '.A.

AA


18/54

Principalele aplicaii ale laserului n microprelucrri sunt prezentate in

figura '.'.

=icroprelucrarea cu laser este o metod din ce n ce mai utilizat n

domenii ca& electronica, telecomunicaiile, industria dispoziti!elor medicale,

industria aerospaial i altele.

Fig.'.A +omenii de aplicaii pentru microte$nologii

Fig.'.' 1plicatii ale laserului in microprelucrari

A'


19/54

Cste clar c tipul laserului trebuie ales n concordan cu destinaia sa i,

se tie c, nici un laser nu poate fi utilizat optim pentru toate aplicaiile. 3ele

mai folosite tipuri de laseri sunt cele de tip e"cimer, Id solid i 3EL (laser cu

!apori de cupru). 4n ultimii ani s-a pus accent pe microprelucrrile realizate cu

pulsuri ultrascurte a laserilor de titan cu safir. 4n general se accept c pulsurile

scurte (099ns) produc mai puine retopiri i zone afectate de cldur mai reduse

(1S-$eat affected zones) dect laserii cu pulsuri lungi (99ms). Cste, de

asemenea, e!ident c proprietile intrinseci ale caracteristicilor prelucrrii cu

pulsuri ultrascurte sunt diferite comparati! cu cele cu pulsuri scurte.

3alitatea fasciculului, pulsurile scurte, punctul ma"im de putere ifrec!ena ridicat a repetabilitii pulsurilor nalte reprezint o combinaie ideal

pentru o microablaie precis. Onul dintre a!anta5ele acestui tip de laser l

reprezint abilitatea acestei instalaii de a produce un fascicul de calitate la

puteri medii i nalte.

1cest tip de laser este uor de folosit, este fiabil i economic, principalele

aplicaii fiind microperforrile i tierile de mare precizie.Prelucrarea cu fascicul de fotoni este recomandat pentru anumite prelucrari

specifice, posibile a fi realizate economic numai prin acest procedeu.

8.-.!. U&ii$area #a"cicuuui a"er a preucrarea microaurior.

4n figura '.N, este prezentat un rnd de orificii cu diametru de 9 Wm,

lrgite la un capt la 99 Wm, realizate ntr-o plac ceramic din alumin de *99Wm grosime.

3omponenta prezentat n imagine este terminaia unei bande de fibre

auto-aliniate pentru un sistem modulator folosit n interconectarea optic din

fizica energiilor nalte. +atorit dimensiunilor semiconductorului component i

limitrilor n accesul optic la acest dispoziti!, lumina !a fi de!iat semnificati!

dac alinierea fibrei are o de!iaie mai mare de o.

4n figura '.9, sunt prezentate, n !edere, orificiile descrise n figura '.N,

AN


20/54

unde se !ede ntreaga plac conine *? de orificii, pe o suprafa de *? mm.

rificiile sunt total lipsite de topituri i microfisuri.

Fig.'.N. =icrogaurire in material ceramic,pentru interconectarea fibrelor optice

Fig.'.9. =icrogurire n material ceramic2etele dese de orificii in alumina

He$nicile con!entionale sau alte te$nici de prelucrare cu laser care pot fi

folosite nu permit realizarea unei astfel de retele,din mai multe moti!e&caldura

dega5ata de prelucrarea propriu-zis !a ncarc cu energie mult prea mare

substratul prelucrat,ducnd la formarea de microfisuri i straturi !itrificate,sau

prelucrarea !a fi mult prea lent pentru a fi economic.

Prelucrarea ofer posibilitatea realizrii de orificii cu abateri foarte mici

de la cilindricitat,cu o foarte bun precizie dimensional i cu o finisare curat.

4n figura '. este prezentat o reea de orificii cu diametrul de ?9 Wm,

'9


21/54

realizate ntr-un suport de siliciu de grosime ?9 Wm.

Hot n aceeai imagine este prezentat, mrit, un orificiu, pentru

e!idenierea calitii marginilor lui i a strii suprafeei prelucrate.

La prelucrarea siliciului, in general, lumina !erde este puternic absorbit

de material (ntr-un Wm, **R din puterea incident a fascicolului laser !a fi

absorbit).

4n contrast, numai R din puterea unui laser J1K cu lungimea de und de 9*8

nm !a fi absorbita la aceeasi grosime.

Fig.'.. =icroguriri n siliciu

4n figura '., este prezentat un orificiu de diametru ?9 Wm, realizat noel ino"idabil cu o grosime de mm. #e poate obser!a c partea de ieire a

orificiului este perfect rotund. Partea de intrare a fasciculului laser n material

are foarte puine cruste (ce pot fi ulterior ndeprtate prin lustruire uoar), pe

cnd partea de ieire este perfect curat, lipsit de cruste.

1ceast te"tur a suprafeei demonstreaz faptul c zona prelucrata este

afectata minim de caldura fasciculului.

'


22/54

Fig.'.. =icrogauriri ultraprecise realizate in metale.

4n figura '.. sunt prezentate orificii cu profil ptrat sau circular cu

dimensiuni cuprinse intre 89 i ?9 Wm, realizate intr-un polimer (pol7amid) de

grosiume ?9 Wm,cu un timp mediu de realizare a unui orificiu de ?9 ms.

1cest tip de prelucrare s-a realizat cu a5utorul unui laser OE.

Fig.'.. =icrogauriri realizate in polimeri

'


23/54

8.-.'. U&ii$area #a"cicuuui a"er a preucrarea microcanaeor2

micro#re$are

Laserul 3EL este folosit pentru ablaia precis a materialului de pe

suprafa i cu a5utorul calculatorului i comenzii numerice se pot realiza

modele comple"e.

6n figura '.8 este prezentat un microcircuit, format din canale de ?Wm

lime, prelucrate ntr-un strat de nic$el de ?Wm, pe un suport ceramic. Eiteza de

trasare este cuprins ntre ?9 i ?9 mm;s.

Prelucrarea cu a5utorul laserului a modelelor de microcircuite este folosit

atunci cnd dimensiunile canalelor sunt dincolo de posibilitatile de prelucrarec$imic sau dac materialul ce trebuie prelucrat nu poate fi uor ndeprtat pe

cale c$imic.

Laserii au, de asemenea, a!anta5ul prelurii de pe calculator a

parametrilor de regim i a modelului ce trebuie prelucrat, reducnd astfel timpii

de setare i costurile.

Fig.'.8. =icrocircuit realizat cu laserul 3EL

Fig.'.?. =odelarea unei suprafete la dimensiuni sub-micronice

'


24/54

=odelul prezentat n figura '.? este realizat pe suprafaa unei piese din

oel. =odelul are un tipar cu dimensiuni e"trem de reduse (ptratele obinute

prin ablaie au laturile de Wm, iar razele de racordare au 9.? Wm).

Fiecare prism prezentat n figura '.* are dimensiunile '9VmX'9VmX?9Vm,

iar distana dintre ele este de 9Wm. 4ntreaga reea conine cte!a mii de prisme

de acest fel.

Figura '.? =odelarea unui traductor ultrasonic

8.-.). U&ii$area #a"cicuuui a"er a microcura&area "upra#e&eor

1cest proces de microcurare a suprafeelor se bazeaz mai degrab pe

principiile fizicii cuantice dect pe c$imie. Lumina laser, pro!enit de obicei dela un laser e"cimer OE (fig.'.*) este trimisa pe suprafa a de cur at simultan cu

un gaz inert.

1tracia, sau legtura, ce reine impuritile pe suprafaa int este rupt de

fotonii din lumina laser. 6mpuritile se ridic ulterior n cmpul de radiaie al

laserului. 1cesta este un efect cuantic cunoscut de ctre fizicieni dar, nu pe

deplin neles nc. 4n timp ce impuritile se ridic de pe suprafaa int, ele suntndeprtate de un gaz, ca argonul sau azotul, ce circul de-a lungul suprafeei

respecti!e. Kazul este ulterior filtrat pentru a reine impuritile.Prin acest

procedeu au fost ndepartate particule a!nd dimensiuni de la '9nm pana la 9,

Vm.

1 fost de asemenea demonstrat,utilizarea acestei metode de cur are

alternati! la ndeprtarea rezidurilor rmase n urma lustruirii c$imice saumecanice.1ceasta metod a fost utilizat la cur area fotomastilor din

'8


25/54

siliciu,cuart,metal,$ard-disD-urilor,plasticelor si in general a tuturor materialelor

folosite la fabricarea computerelor si microprocesoarelor.

Cficiena currii este direct dependent de lungimea de und a laserului,

a energiei pe fiecare puls, rata de repetiie, durata pulsului i profilul

fasciculului. +e asemenea, o influen deosebit o are i tipul gazului folosit,

!iteza sa de curgere, precum i tipul de impuriti ce trebuie ndeprtate.

Fig.'.*. On model de instalatie de cur are cu laser e"cimer

8.-.*. Fini"area cu a"er a "upra#e&eor a ni3e "u+microme&ric

Procesul de finisare cu laser la ni!el submicronic este la prima !edere,

relati! simplu, dar dificil de inut sub control la parametrii de calitate ai

suprafeei cerui, datorit fenomenelor de comple"itate ridicat, care se produc

n timpul prelucrrii superificiale a suprafeei.

Procesul se bazeaz pe topirea supeficial a materialului respecti! a

micro!rfurilor profilului la ni!el microgeometric utiliznd energia radiaiei

laser, n scopul umplerii microdepresiunilor prin curgerea materialului

aparinnd micro!rfurilor sub efectul gra!itaiei.

'?


26/54

Figura '.A. Profilul suprafeei&a - nainte de finisarea cu laser b- dup finisarea cu laser

Prin urmare, dac iniial suprafaa era caracterizat prin rugozitate ridicat

(fig. '.A,a), prin topirea superficial a materialului, poate fi realizat netezirea

suprafeei la ni!el microgeometric (fig.'.A,b), prin umplerea microgurilor.

4n esen, n timpul procesului de finisare cu laser a suprafeelor, energia

termic trebuie s afecteze numai zona superficial a piesei de pelucrat,

respecti!, micro!rfurile profilului suprafeei, deoarece nu se intenioneaz

modificarea macrogeometriei piesei.

2ealizarea acestui obiecti! presupune c numai o cantitate redus a

energiei trebuie s fie concentrat n zona prelucrrii cu scopul de a e!ita

producerea distorsiunilor formei piesei, mai ales n cazul n care, se prelucreaz

repere cu perei subiri, frec!ent ntlnite n te$nologia actual.

La polul opus, densitatea de energie e"trem de ridicat, apropiat de aceea

folosit n cazul proceselor de tiere sau sudare cu laser ar afecta materialul

prelucrat pe o adncime mai mare (prin topire i !aporizare) dect este necesar

la procesul de finisare la ni!el submicronic.

4n scopul obinerii gradului de finisare a suprafeei cerut, parametrul

ma5or care trebuie s fie meninut sub control este cantitatea de energie care este

adus pe suprafaa piesei de prelucrat.

3antitatea de energie caracterisitc finisrii cu radiaie laser depinde n

mod esenial de urmtorii parametri te$nologici&

'*


27/54

-viteza de avans a radiaiei laser pe supra"aa piesei (la o !itez de

a!ans ridicat, radiaia laser acoper o arie mai mare a piesei, iar

suprafaa primete o cantitate mai redus de energie, fiind mai puin

nclzit)

-densitatea de putere, care la rndul ei depinde n principal, de ali doi

parametric i anume&

-puterea total, concentrat n interiorul radiaiei laser, care

poate fi a5ustat prin modificarea aperturii generatorului

cuantic

-dimensiunea spotului produs de radiaia laser pe supra"aa

piesei, care depinde n special de tipul de laser i distana

focal.+istribuia de energie este determinat de regimul de

prelucrare ,care la randul lui,este dependent de tipul

generatorului.

4n principal,e"ista doua mecanisme ma5ore dupa care se produce finisarea

submicrometrica cu laser&-topirea super"icial a supra"eei(!ur"ace !hallo1 elting-##=)

-supratopirea supra"eei(!ur"ace 2ver elting- #=).

1cestora le corespund fenomene specifice care modific suprafaa

baleiat cu laser n timpul procesului de prelucrare. Fenomenologia fiecrui

mecanism este determinat de ni!eluri diferite ale puterii i !itezei de a!ans

utilizate.2ugozitatea iniialRa a suprafeei, nainte de finisarea cu laser are un

rol important n cadrul mecansmului de prelucrare respecti!.

8.-.*.1 Topirea "uper#icia% a "upra#e,ei /SSM0

Profilul suprafaei piesei !izualizat cu a5utorul microscopului cu scanare

electronic (#canning Clectron =icroscope - #C=) cuprinde micro!rfuri i

microdepresiuni. 1tunci cnd radiaia laser cu energie suficient atac suprafaa,

micro!rfurile ating n mod rapid temperatura de topire.

'A


28/54

La prelucrarea cu o !itez de a!ans relati! mare, are loc topirea

materialului la ni!el superficial. =aterialul topit curge ctre microdepresiuni

datorit gradientului tensiunii superficiale i forei gra!itaionale i astfel, se

produce reducerea nlimii profilului microgeometriei.

=ecanismul ##= are o desfurare specific n cazul prelucrrii

suprafeei unei piese realizate din material compozit cu structur micrometric

sau nanometric, a crui utilizare este din ce n ce mai frec!ent la ora actual.

Fig.'.'. +ez!oltarea mecanismului de topire superficial la finisarea cu laser a materialelorcompozite cu structura micro si nanometric, ob inute prin sinterizare

#tructura materialului compozit poate fi considerat o agregare a unor

sfere cu diametre egale cu diametrul mediu al particulelor care au alctuitpulberea iniial. On micro!rf corespunde prii superioare a unei sfere, iar o

microdepresiune este format n spaiul creat de trei sfere tangente.

4n timpul procesului de finisare cu laser, radiaia atac suprafaa piesei, iar

suprafeele sferelor acoperite de spotul laser, care a5unge pe suprafaa piesei,

ating e"trem de rapid temperatura de topire.

dat cu desfurarea procesului de topire a materialui, se producecurgerea lic$idului din partea superioar a unei sfere ctre microdepresiuni,

netezind profilul suprafaei e"terioare a piesei prelucrate, dac timpul curent ti

de curgere a materialului este mai mic dect timpul de soldificare ts, dup cum

este prezentat n figura '.'.

8.-.*.! Supra&opirea "upra#e,ei /SOM0

4n cazul n care !iteza de a!ans este redus, se produce o supranclzire asuprafeei baleiate cu laser. +in aceast cauz, are loc topirea complet a

''


29/54

suprafeei de contact cu radiaia laser. 2ezult astfel, creterea rugozitii iniiale

a suprafeei piesei, aceasta constituind esena mecanismului de tip #=.

Prin comparaie, ##= produce reducerea rugozitii suprafeei prin creterea

!itezei de a!ans pn la o !aloare limit de lucru. 4n cazul opus, atunci cnd

!iteza de a!ans se reduce, interaciunea dintre radiaia laser i suprafaa piesei se

intensific, aceasta conducnd la producerea mecanismului #= i creterea

rugozitii suprafeei.=ecanismul #= este prezentat in figura '.N.

Fig.'.N. +ez!oltarea frontului de solidificare a suprafetei baleiate cu laser la mecanismul desupratopire (#=)

+eplasarea spotului radiaiei laser pe suprafaa piesei determin curgerea

materialului pe direcia gradientului tensiunii superficiale pn la frontul de

solidificare. #e produce astfel, n apropierea zonei de trecere de la starea lic$id

la starea solid a materialului, o ondulaie puternic a suprafaei piesei

prelucrate.

Onul dintre materialele finisate cu laser a fost 2rvar !upreme, un materialcompozit fabricat de Odde$olm, destinat realizrii sculelor utilizate pentru

temperaturi i presiuni ridicate. 1cest material este caracterizat prin& rezisten

ridicat la oc termic i solicitare la oboseal termic, efort unitar mare la

temperatur mare, e"celent tenacitate i ductilitate pe toate direciile, bun

prelucrabilitate n special la finisare, e"celente proprieti la durificare termic

(ca de e"emplu, stabilitate dimensional). 1ceste caracteristici prezint interespentru di!ersele utilizri ale acestui material n cele mai !ariate domenii.

'N


30/54

Principalele elemente din compoziia c$imic a materialului sunt& 3 Y

9,NR #i Y ,9R =n Y 9,8R 3r Y ?,R =o Y ,8R E Y 9,NR.

Prin nclzirea de la 9 la A99 o3, densitatea materialului scade de la A'99 la

A*99 Dg;m, iar conducti!itatea termic a acestuia crete de la ? la 9 :;m o3.

1naliznd aceste proprieti fizice, se poate obser!a c acest material are

o relati! bun capacitate de absorbie a energiei termice a radiaiei laser n

principal, datorit coninutului de carburi metalice i rugozitii iniiale a

suprafeei de prelucrat. 4n scopul e!idenierii efectului produs de radiaia laser la

finisarea suprafeei, comparati! cu starea iniial a acesteia, rezultat din

prelucrrile anterioare, epru!eta a fost prelucrat numai prin frezare pesuprafeele sale laterale i prin finisare cu laser, n zona central dup frezare. 4n

acest sens, n figura '.9 i figura '., sunt prezentate cele mai semnificati!e

rezultate.

Cste necesar a fi menionat c msurarea rugozitii obinute s-a realizat

pe direcie perpendicul n raport cu urmele produse de trecerile spotului laser

pe suprafata mostrelor.

Fig.'.9. 3omparatie intre profilul microgeometriei in cazul epru!etelor de ,,r!ar,obtinute prinfrezare si finisare cu fascicule de fotoni.

N9


31/54

Fig. '. =icrogeometria + n cazul mostrelor de Zr!ar[

Habelul '. #eleciea rezultatelor e"perimentale obinute la finisarea cu laser a oelului Zr!ar[Suprapo$i,ionare

4mm5

Pu&ere a"er

465

Di"&an,a

standoff4mm5

Ra ini,ia%4Vm5

Ra #ina%4Vm5

9, '99 9,A?* 9,?*9, 999 A 9,N 9,A9,8 99 A ,NN 9,?'

4n tabelul '., sunt prezentate !alorile medii obinute dup trecerile liniare

ale spotului laser pe suprafaa epru!etei, orientate perpendicular pe urmele

prelucrrii anterioare (fig. '.). Limea urmei produse de fiecare trecere este

cuprins ntre 9,' i , mm.

Fig.'.. Fotografie a suprafetei otelului ,,r!ardupa mai multe treceri de finisare cu laser.

4n continuare, trecerile au fost suprapoziionate pentru finisarea complet

a ntregii suprafee a piesei. +up cum se poate obser!a, rugozitatea final dup

finisarea cu laser depinde n mare msur de rugozitatea iniial a mostrei. #e

poate concluziona c n cazul acestui material, procedeul de finisare cu laser are

capacitatea s reduc rugozitatea iniial cu mai mult de ?9R.

N


32/54

3omparati!, a fost finisat cu laser un al doilea material, oelul aliat F8

(16#6 98?, dup normele internaionale), utilizabil n cazul construc iei pieselor

supuse unor solicitri mecanice moderate.

3ompoziia c$imic a acestui material este urmtoarea& 3 Y 9,'R =n -

9,A?R #i Y 9,R P Y ma" 9,98R # Y ma" 9,9? R.

Principalele proprieti fizice legate de capacitatea de absorbie a energiei

termice produse de radiaia laser sunt& densitatea A'?9 Dg;m i conducti!itatea

termic 8N,':;m\3.

4n comparaie cu materialul anterior, F8 posed o capacitate de

absorbie mai redus, datorat n special, coninutului mai mare alconstituentului Fe].

#imilar cazului precedent, epru!eta a fost prelucrat prin electroeroziune

(Clectrodisc$arge =ac$ining - C+=) sau frezat pe suprafeele laterale i

finisat cu laser n zona central dup prelucrrile anterioare prin C+= sau

frezare.

2ezultatele corespunztoare referitoare la profilul microgeometriei imicrotopografiei tridimensionale sunt prezentate selecti! n figurile '.. '.8,

'.? i tabelul '..

Fig. '.. 3omparaie ntre profilul microgeometriei n cazul mostrelor de F8,prelucrate prinelectroziune si cu fascicul de fotoni.

N


33/54

Fig.'.8. =icrogeometria + in cazul mostrelor de F 8

Habelul '.. #elecia rezultatelor e"perimentale obinute la finisarea cu laser a materialului F8

CARACTERISTICA RE7ULTATELE=ateriale prelucrate rice material

Puterea specificTD:;cmU 9?=ediul de lucru #pecific

Producti!itatea Tmm;minU 9,

Fig.'.?. =icrofotografie a epru!etei din material F8 finisat cu laser n zona central

4n acest stadiu al cercetrilor e"perimentale, rezult c finisarea cu laser

asigur reducerea rugozitii iniiale cu pn la A9R. =ai trebuie precizat c

finisarea submicrometric prin L%= este mai eficient, respecti! mbuntete

mai mult rugozitatea iniial cu ct aceasta are !aloare mai mare.

4n particular, eficiena procesului a fost mai !izibil n cazul suprafeelor

prelucrate iniial prin electroeroziune (care au prezentat rugozitate mai mare)

comparati! cu suprafeele frezate anterior.

C"perimentrile s-au desfurat n condiii de lucru adec!ate, urmrindu-

se optimizarea parametrilor te$nologici.

1stfel, n cazul suprafeelor anterior frezate, s-au utilizat !alori ale puterii

N


34/54

laserului cuprinse ntre 99 i 'A? : i distanestando"" n inter!alul 89/A9

mm. Prin comparaie, la finisarea cu laser a suprafeelor prelucrate prin

electroeroziune, !alorile puterii laserului au fost mai ridicate (?99/N99 :),

iar distanelestando"",mai reduse (9/ 89 mm).

Prin urmare, la finisarea cu laser a suprafeelor frezate anterior, densitatea

de energie a fost mai redus prin diminuarea puterii efecti!e i defocalizarea

fasciculului laser.

On alt material prelucrat prin finisare cu laser a fostaser3orm !T-455

obinut prin sinterizare selecti! cu laser (!elective aser !intering- #L#) care

are n structura iniial un amestec de pulberi de oel ino" i bronz. 1cest tip defabricare primar este considerat mai rapid dect prototiparea rapid.

Problema care o ridic acest material compozit la finisarea cu laser rezult

din diferena ma5or dintre temperaturile de topire ale celor dou componente,

bronzul i oelul ino".

3aracteristicile termo-fizice ale acestui material conduc la declanarea

mecanismului de supratopire de tip #= n cazul particulelor de bronz, datorittemperaturii sale de topire mai sczute. Particulele din oel ino" sunt mult mai

puin afectate de energia termic a fasciculului laser.

Principalele proprieti fizice care influeneaz mecanismul de prele!are

termic produs de laser sunt& densitatea AA99 Dg;m (la o3), conducti!itatea

termic 8N :;m\3 (la 99 o3) i ?* :;m\3 (la 99 o3).

1!nd n !edere proprietile menionate aleaser3orm !T455

, alegerea!alorilor parametrilor de lucru de!ine dificil. #uplimentar, este necesar

utilizarea unui gaz inert (argon) care asist procesul de prelucrare.

Prelucrnd cu o !aloare a puterii laserului de 99 :, distanastando"" de

mm i o !itez de a!ans cuprins n inter!alul 999/899 mm;s, s-au

obinut !alori ale rugozitii 2a cuprinse ntre 9,?9 i ,N Vm. 2ugozitatea

iniial a materialului obinut prin sinterizare selecti! cu laser a fost 2aBA,?

Vm.

N8


35/54

2ezultatele obinute la finisarea cu laser a materialului compozit

LaserForm #H-99 sunt prezentate selecti! n figurile '.* i '.A.

Fig.'.*. 3omparaie ntre profilul microgeometriei n cazul mostrelor de LaserForm #H-99

Fig.'.A. =icrogeometria + n cazul epru!etelor de LaserForm #H-99

3omparati!, densitatea de energie utilizat n cazul acestui tip de material

compozit a fost mai ridicat dect n cazurile prezentate anterior. 1ceasta induce

tendina de producere a mecanismului de tip #=, n !olumele din structura

materialului cu puncte de topire mai sczute.

4n figura '.', este prezentat suprafaa unei piese din aser 3orm !T-

455, pe care sunt e!ideniate trecerile spotului laser, care au condus la finisare

submicronic. 4n concluzie, se poate afirma c aceste cercetri, care au nc un

caracter preliminar, demonstreaz o mbuntire e!ident a calitii suprafeei

dup finisarea cu laser pn la o rugozitate cu !alori submicrometrice. 3ele mai

bune rezultate s-au obinut la prelucrarea materialelor omogene cu capacitate

redus de absorb ie a energiei termice. 1ceasta constituie o baz pentru

N?


36/54

dez!oltarea ulterioara a acestui tip de prelucrare a!ansat si aplicarea sa pe scar

larg.

Fig.'.'. #uprafata unei mostre din LaserForm #H-99 prelucrata prin finisare submicronicacu laser.

2ezultatele prezentate desc$id perspecti!a controlului procesului de

prelucrare cu a5utorul calculatorului, e"istnd posibilitatea reducerii rugozitii

suprafeei prelucrate la ni!el nanometric dup mai multe treceri ale spotului

laser pe suprafaa piesei.

+esigur, este important ca rugozitatea iniial, obinut prin prelucrri

anterioare, s aib o !aloare apropiat de aceea final. 4n primele etape, prin

scanarea microgeometriei suprafeei, energia fasciculului poate fi concentrat

numai pe micro!rfurile suprafeei cu a5utorul comenzii numerice a instalaiei

laser. #e realizeaz astfel, o netezire gradual a suprafeei.

+ensitatea de energie termic produs de fasciculul laser este una dintre

cele mai mari cunoscute. +e aceea, poate fi utilizat la finisarea oricrui tip de

material cum sunt compozitele pe baz de ceramic, ceea ce lrgete

considerabil spectrul utilizrilor poteniale ale acestora.

8.-.-. Depunerea de micro i nano"&ra&uri din ma&eriae compo$i&e cu

a(u&oru #a"cicouui de #o&oni

1coperirea cu laser reprezint una din te$nicile utilizate pentru

mbuntirea proprietilor suprafeelor, alturi de pul!erizarea cu plasm.

#tratul depus pe materialul de baz trebuie s i mbunteasc acestuia sau s i

confere proprieti crescute anticorozi!e sau de fiabilitate.

N*


37/54

Procesarea suprafeelor cu a5utorul laserului prezint a!anta5e deosebite,

cum ar fi&

-energia eliberat poate fi foarte bine controlat

- fasciculul laser poate fi foarte bine focalizat

-energia termic se transfer punctual, astfel nct i deformaiile

termice sunt minime

-!itezele de nclzire i de rcire sunt mari, rezultnd structuri fine

-procesarea se face fr contact, deci fr aplicarea unor fore din

e"terior

-procesul este bine cunoscut sub toate aspectele sale.#c$ema general a depunerii de straturi pin pul!erizare cu laser este

prezentat n figura '.N.

3aracteristicile pe care trebuie s le aib straturile depuse sunt prezentate

n tabelul '.8.

Habelul '.8. 3aracteristici ale straturilor depuse

Caracteristici geometrice

REZULTATELE

Orice materialPuterea specific [kW/cm2] !"

#e$iul $e lucru %pecific

Pro$ucti&itatea [mm'/mi(] !)

%uprafa a mi(im* a spotului[cm 2] !+,

-e(sitatea ma.im* $e putere[W/cm2] "!0

Prelucr*ria(terioare

Pu&ere a"er

465

Di"&an,a standoff

4mm5Ra ini,ia% 4Vm5

Ra #ina%

4Vm51reare "!! 3! !)4!2 !)3'0

4n practic, este dificil s se realizeze straturi n care s regseasc toate

caracteristicile menionate anterior la !alori optime, astfel nct se caut

condiiile n care s fie ndeplinite ct mai multe dintre cerine.

1coperirile realizate cu a5utorul fascicolului laser au o aderen foarte

bun n raport cu materialul substratului, datorit topirii pariale a acestuia n

timpul depunerii. Cste de menionat ns c, grosimea substratului topit este att

de mic, nct compoziia stratului depus nu este afectat de compoziia

NA


38/54

materialului de baz.

Fig.'.N. #c$ema generala de depunere a straturilor subtiri cu a5utorul laserului

+iluia materialului stratului depus cu elemente din materialul substratului

caracterizeaz, n final, calitatea stratului depus, ceea ce a condus la

determinarea unor metode de e"aminare adec!ate.

C"ist dou metode pentru aceasta. Prima metod folosete geometria

stratului de acoperire. +iluia este definit astfel ca procent al adncimii stratului

n substrat dc, raportat la nlimea total a stratului tc, n seciune trans!ersal,

(fig. '.9).

1 doua metod este bazat pe analiza compoziiei materialului stratului

(c$imic sau !olumetric). 3omparaia se face ntre compoziia materialului

iniial al stratului i compoziia stratului de baz. 1ceast metod permite

determinarea diluiei n adncimea stratului i este de preferat metodei

geometrice. Porozitatea stratului depus poate fi generat de e"istena bulelor de

gaz care rmn n compoziia stratului n timpul solidificrii. 1cest fenomen

poate fi nlturat prin !ibrarea piesei pe care se face depunerea, remarcndu-se

c acest proces reduce tendina de fisurare i oboseal intern.

N'


39/54

Fig.'.9. Clementele geometrice ale stratului depus&dcY dilu ia t cY nl imea total a stratului $ cY supranl area

a doua cauz a apariiei porilor este procesul de solidificare ce se

realizeaz pe direcii aleatorii care pot nc$ide ntre ele zone de material topit. 4ncadrul acestor zone apar contracii, cresc tensiunile interne i pot s apar

incluziuni gazoase n materialul stratului.

alt categorie de pori apar la interfaa dintre substrat i depunere

datorit prezenei unor defecte de supafa ale substratului, iar ultima categorie

de defecte apare datorit e"cesului de pulbere (fig.'.).

Fig.'.. 1paritia defectelor ,,ingropate

1naliza proceselor comple"e care apar la depunerea straturilor cu fascicul

laser conduc la concluzia c se pot obine rezultate bune n procesul de depunere

dac se cunosc toate !ariabilele procesului i interaciunile dintre ele.

1nsamblul acestor !ariabile este prezentat n figura '..

NN


40/54

Fig. '.. Eariabilele procesului de depunere cu laser

+e asemenea, !ariaia unora dintre aceti parametri poate conduce la!ariaia proprietilor stratului depus, dup cum se poate obser!a n tabelul '.?.

Habelul '.?E"ectul variaiei parametrilor asupra propriet ilor stratului depus

Printre cele mai des ntlnite metode de depunere a micro i

nanostraturilor din materiale compozite cu a5utorul laserului sunt urmtoarele&

-depunerea de micro si nanostructuri cu laseri pulsa i (PL+).6n tabbelul

'.* sunt prezentate caracteristicile unor regimuri de lucru la depunerea de

diferite material pe substraturi in special din safir si siliciu. 1naliza suprafeei

99


41/54

filmelor depuse s-a fcut prin 1F= Y microscopia de for atomic , aparinnd

metodei #P= (#canning Probe =icroscop7 ). +e e"emplu pentru o suprafa de

9"9 Wm, n figura '.,a este prezentat imaginea stratului depus iar n figura

'.,b rugozitatea (2=#) acestei suprafee n cazul depunerii de Sn pe un

substrat de safir (n figura '.8,a i figurs '.8,b sunt prezentate aceleai

elemente n cazul depunerii de Sn pe un substrat de siliciu). #-a constatat c

depunerea realizat pe siliciu are o rugozitate mult mai buni o structur mult

mai compact

Fig.'.. +epunere de Sn pe un substrat de safir& a-imaginea stratuluib-rugozitatea

Fig. '.8. +epunere de Sn pe un substrat de siliciu& a-imaginea stratuluib-rugozitatea

- obinerea straturilor de acoperire prin metoda depunerii

prin vapori puri.4n timpul e!aporrii pure a materialului de acoperire cu

a5utorul unui fascicul laser i depunerea prin !apori a materialului de

9


42/54

substrat n forma sa pur sau ntr-o form de amestec obinut prin sinteza

materialului cu gazul reacti!, straturile de acoperire obinute sunt identice

cu cele obinute prin metoda tipic PE+ . 4n cazul e!aporrii laser pot

aprea depuneri de material topit . +in acest moti! pentru fiecare tip de

material e!aporat trebuie selectat tipul de laser cel mai indicat.4n general

regula se aplic pentru depunerea metalelor prin !apori , cele mai bune

rezultate fiind obinute prin utilizarea laserelor Id-J1K , n timp ce

pentru materialele nemetalice se recomand laserul 3 .

Habelul '.* +epuneri de micro i nanostraturi cu laseri pulsaiMa&eria"u+"&ra&

Ma&eriade

depunere

Carac&eri"&ici emi"ie a"er

Lunimea deund%4nm5

Frec3en a49$5

Enerie4m:5

Arie"po&

4mm!5 el 1l-Ii ?? 9 ?9 9,?#afir Sn ?? 9 89

#iliciu Sn ** 9 9

#afir;siliciuG1l

1l;Sn ** 9 89

Carac&eri"&ici emi"ie a"erPre"iuneo;ien4m+ar5

Di"&an a"u+"&ra&

4mm5

Tempera&ura4oC5

Num%rpu"uri


43/54

8.-.>. U&ii$area #a"cicuuui de #o&oni a a+a&ia ma&eriaeor compo$i&e

poimerice

Onul dintre scopurile nanote$nologiilor este i acela de a lucra la ni!el

molecular pentru a se crea structuri cu o organizare molecular total nou i cu

proprieti mbuntite sau noi.

Polimerii au fost des folosii n industria de aprare i n aplicaiile

comerciale. Produsele realizate din polimeri sunt ns deficitare din punct de

!edere al rezistenei mecanice.

#copul te$nicilor compozite este de a mbunti proprietile mecanice,termice i electrice ale polimerilor prin inserarea n matricea polimerului a unui

alt material. Ianoparticulele (zero dimensional), nanofibrele (uni-dimensionale)

i nanostraturile (bidimensionale) au fost dispersate corespunztor n matricea

polimerului crend o suprafa mult mai mare pentru interaciunea

polimer;nanocomponent dect la compozitele con!enionale

+ei te$nicile de micromodelare i microtiprire au fost folosite pentru ase realiza suprafee cu structura n relief pe substraturi de polimer, aplicabilitatea

acestor te$nici este deseori limitat de efectul pe care l au anumii compui

c$imici ce apar n proces (sol!eni) i de anumite solicitri.

=icroprelucrarea cu laser a fost folosita pentru a nltura aceste

disfuncii.

+ispoziti!ele laser cele mai des utilizate sunt cele cu OE, la care,lungimile de und mici permit interaciuni puternice ale fasciculului cu o serie

de materiale. =icroprelucrarea cu fascicul laser are efecte termice puternice

cnd materialele sunt nclzite rapid, dincolo de ni!elul corespunztor

declanrii descompunerii pirolitice, rezultnd o reacie de depolimerizare n

lan.

Laserele OE pot procesa materiale prin ablaie direct, prin !aporizare.

3u toate acestea, energia fotonilor trebuie s fie destul de mare ca s poat

9


44/54

distruge barierele c$imice ale materialului !izat. =aterialul este apoi di!izat n

componentale sale c$imice i nici o faz lic$id, de tranziie, nu apare n timpul

acestui proces.

3ercetrile e"istente ofer informaii referitoare la microprelucrarea cu

laser a polimerilor i semiconductorilor, dar se raporteaz mai puin la

prelucrrile prin ablaie cu laser a nanocompuilor polimerici.

+ei un polimer con!enional poate a!ea o absorbie sczut a energiei

laser, ncorpornd o cantitate redus de nanoparticule metalice (de e".

nanoparticule de aur) n matricea polimerului, se poate spori absorbia laser cu

toate efectele ce decurg din aceasta.4n continuare, se !a prezenta ablaia laser a unui nanocompus din

polietilen cu densitate mare, cu inserii de nanofibre de carbon Y +PC.

Pentru ablaia nanocompuilor au fost folosite ambele lungimi de und

armonicele a -a i a -a (? nm i ?? nm) a unui laser Id&J1K. +ei +PC

(ig$-+ensit7 Pol7et$7lene) este transparent pentru lungimile de und !izibile

i OE, absorbia radiaiei a fost realizat de nanofibrele de carbon din matriceapolimerului.

Pentru studiul fenomenelor s-a utilizat microscopia electronic prin

scanare(#C= - #canning Clectron =icroscop7) i spectroscopia energiei

dispersi!e (C+# Y Cnerg7 +ispersi!e #pectroscop7), n !ederea caracterizrii

morfologiei i c$imiei suprafeei.

Pregtirea +PC armat cu fibre de carbon obinut prin e!aporare(EK3F Y Eapor-Kro>n 3arbon Fibres) a urmrit e!itarea aglomerrilor de

nanofibre.

+up amestecare, materialul a fost modelat prin comprimare la o

temperatur de A9/99 ^3 pentru a forma folii foarte subiri.

Ianofibrele de carbon au fost produse printr-un proces catalitic de

$idrocarburi n stare de !apori. EK3F-urile au o seciune circular cu diametru

de la 9 la 99 nm i o ca!itate interioar central, (de obicei numit filament)

98


45/54

cu diametre de zeci de nanometri.

3onfigurarea sistemului pentru ablaia laser este reprezentat n figura

'.? i are urmtoarele componente& un sistem laser, un sistem optic i un sistem

de monitorizare on line.

Frec!ena de repetare a fost de z i energia concentrat a !ariat de la

9,' W_;cm` pn la W_;cm`. +istana de focusare a lentilelor a fost de ?9 mm

aducnd un spot laser de apro"imati! 89Wm pe suprafaa eantionului.

Pentru a se msura transmisi!itatea monocromatic a nanocompuilor

+PC primari la lungimi de und de ? nm i ?? nm s-a msurat energia laser

nainte i dup procesare, folosind un detector de energie piroelectric. serie deca!iti au fost ablate de deasupra suprafeei i de la marginea probei din

materialul compozit. Iumrul de pulsaii laser a !ariat de la una singur la ?, 9,

i ?9 pulsaii pentru a putea s se determine dependena dintre numrul

pulsaiilor i adncimea ablaiei.

1 fost aplicat o foi subire de aur pe suprafaa compusului pentru a

crete conductibilitatea eantionului.

Fig.'.?. =onta5ul e"perimental pentru ablatie cu laser

9?


46/54

a b

c d

Fig.'.*. 6magini ale zonelor de ablatie la diferite energii laser (lB?? nm)&a-la 9,' m_;cmb-la , m_;cmc-la ,' m_;cmd-la,? m_;cm.

Figura '.*, prezint imagini #C= ale unor serii de orificii ablate dintr-un

compus +PC-EK3F sub aciunea diferitelor energii laser.

La ni!elul energetic situat c$iar deasupra pragului ablaiei laser, care este

9.' W_;cm` pentru ?? nm (fig.'.*,a), a fost obser!at e"pansiunea !olumetric

tip pop-up[. +iametrul i adncimea orificiilor ablate au crescut odat cu

energia.

1naliza elementelor C+# a artat aceeai compoziie c$imic n zona depop-up[ ca i n zona !ecin neiradiat. 6nspectnd cu atenie suprafaa, s-a

obser!at c ablaia a fost iniiat n masa compusului n loc s aib loc la

suprafa. 1cest fapt a indicat efectul tipic !olumetric care are loc n ablaia

fototermal laser. 3u alte cu!inte, absorbia luminii laser incidentale i

acumularea cldurii au necesitat un anumit !olum al probei.

=onomerul sau oligomerul rezultat a fost n stare gazoas producnd o

9*


47/54

presiune mare care a indus e"pansiunea !olumetric n masa compusului.

dat cu creterea energiei laser,orificiile ablate i-au mrit diametrul

(fig. '.*,b,c,d).

2ezultate similare au fost obinute i pentru cazul utilizrii lungimii de

und de ? nm (fig. '.A).

a b

c d

Fig. '.A 6magini ale zonelor de ablaie la diferite energii laser (B?nm)&a-la .* W_;cm` b-la . W_;cm` c-la . W_;cm`d-la .' W_;cm`.

Pragul ablaiei n acest caz a fost de .* W_;cm` (fig.'.A,a), efectul

e"pansiunii !olumetrice putnd fi !zut clar.

2ezultatele nregistrate folosind ambele lungimi de und (? i ?? nm)sugereaz c procesul ablaiei laser a depins mai puin de lungimea de und.

1adar, o !arietate mare de lasere, de la OE la !izibile pot fi folosite pentru

microprelucrarea nanocompuilor.

#-au efectuat e"perimente i cu un numr diferit de pulsaii.

1dncimea ablaiei a crescut linear odat cu numrul pulsaiilor laser asa

cum se obser! n figura '.'. 1blaia n form de fulg (plume) s-a disipat total

nainte s bloc$eze urmtoarea pulsaie laser i cldura nu s-a acumulat pe

9A


48/54

suprafaa ablat ntre inter!alele dintre pulsaii.

Fig.'.'. 1dancimea ablatiei functie de numarul de pulsatii (lB?? nm,CB,' m_;cm.

Pulsaiile laser au fost trimise i pe marginea probei de nanocompui,

prelucrarea facndu-se numai pe 5umtatea spotului. 1ceasta a permis s se

analizeze ndeaproape configuraia n seciune a orificiilor ablate (fig.'.').

!edere n detaliu a peretelui e"terior al orificiului este prezentat n

figura '.N.

#-a obser!at c nanocompusul s-a topit la locul ablaiei cu un flu" lic$id

resolidificat i materialele ablate depozitate. 1cest rezultat indic clar efectul

fototermal din timpul procesului de ablaie.

Fig.'.N. 6magini #C= ale seciunii orificiilor ablate (B??nm, CB,'V_;cm, numr de pulsuri,succesi! ,?,9)

9'


49/54

Fig.'.89, +etaliu al peretelui zonei ablate cu un laser cu B??nm

=surarea coeficientului de absorbie al +PC iniial a fost de 9,8 mm -

la ?? nm i 9, mm-la ? nm.

Prin adaugarea unei cantiti mici de nanofibre de carbon n matricea

+PC s-au obtinut coeficieni de absorbtie de ?,A mm - cu ?? nm si ',N'-mm

cu ? nm.

4n analiza elementelor unui C+#, Ib i Pb (componentele catalizatorilor

metalici), au fost n concentraie mai mare pe suprafaele ablate dect pesuprafaa original. +in moment ce catalizatorii metalici au coe"istat cu

nanofibra de carbon, mai multe nanofibre de carbon au aprut pe suprafeele

ablate dect pe suprafaa original, ceea ce conduce la idea c nanofibrele de

carbon sunt mai stabile termic dect +PC la temperatur mare.

Pentru a se nelege efectul fototermic care induce procesul ablaiei, a fost

efectuat un simplu studiu numeric folosind modelul conductibilitii cldurii allui Fourier, modelul fiind !alabil pentru procesele de nclzire cu laserul

nanosecund.

=odelul conine dou elemente& nanofibra de carbon care absoarbe

radiaia laser i matricea polimerului care ncon5oar nanofibra. 3ele dou pri

sunt legate de conductibilitatea cldurii prin interfa. Hoate proprietile

materialelor cu e"cepia cldurii specifice a nanofibrei au fost cele indicate de

productor.

9N


50/54

3ldura specific a nanofibrei a fost apro"imat cu cea a grafitului

datorit lipsei altor informaii. +ei conductibilitatea termic a unei nanofibre de

carbon izolat a fost estimat la N99 :;m


51/54

Fig.'.8. C!oluia temperaturilor n nanofibra de carbon i n matricea polimerului

Ianofibrele de carbon au crescut considerabil absorbia luminii incidente

n matricea polimerului i au transformat energia fotonului n caldur, ceea ce a

dus la descompunerea matricei polimerului n molecule mici. Procesul ablaiei

nu a depins n mod semnificati! de lungimea de und, ceea ce a permis o alegere

fle"ibil a laserilor.

3te!a ec$ipamente si piese prelucrate dimensional cu fascicul de fotoni

se prezinta in figura '.8.


52/54


53/54


54/54

Fig ' 8 3te!a tipuri de instalii i piese prelucrate dimensional cu fascicul de

Documents

Prelucrarea cu fascicul de fotoni