Інструменти з твердих матеріалів та кераміки, такі як вольфрамовий карбід, є особливо зносостійкими. Однак інструменти, які використовуються для їх виготовлення, зношуються ще швидше, якщо тільки інструмент не є світловим. Дослідники Fraunhofer ILT розробили процесний ланцюг, в якому формування та полірування деталей з твердих матеріалів можуть бути реалізовані за допомогою ультракороткого імпульсного (UKP) лазера без зміни затиску.
Свердла, фрези, вали або навіть штампувальні вставки з керамічних твердих матеріалів не тільки мають зубці, але й служать значно довше. Однак, наскільки позитивно їх зносостійкість впливає на терміни служби в виробництві, настільки ж проблематичною є їх виготовлення. Адже ті інструменти, які використовуються для їх формування та обробки поверхні, зношують зубці на змішаних карбідних твердих металах, керамиках та кераміках, які використовуються тут. Відповідно, знос дуже високий, коли виробники покладаються на механічні методи обробки.
UKP-лазер діє там, де механічні методи стикаються з обмеженнями
Це по-іншому з ультракороткими лазерними імпульсами. Вже комерційні UKP-лазери потужністю від 20 до 40 Вт здатні ефективно видаляти тверді матеріали, що використовуються в інструментальному виробництві. Коли їх короткі, високоенергетичні імпульси потрапляють на поверхні, матеріал випаровується. Оскільки це відбувається з частотами в діапазоні МГц, лазерне видалення матеріалу досягає швидкостей до 100 см² на хвилину. Але з цим формуючим випаровуванням матеріалів потенціал UKP-обробки не вичерпано.
Дослідники Fraunhofer Інституту лазерної техніки ILT в Аахені розробили процесний ланцюг, в якому той же UKP-лазер реалізує як формуюче видалення матеріалу, так і подальше полірування поверхні інструментів. "UKP-лазер є універсальним інструментом, за допомогою якого ми можемо реалізувати різні етапи обробки, частково в одному затиску", - говорить Сьонке Вогель, керівник команди 3D-структурного видалення в Fraunhofer ILT, який просував цей процес разом з Астрід Сасманншаузен, керівницею команди структуризації прозорих матеріалів.
Ключ до зв'язування процесних етапів полягає в параметруванні лазера: під час видалення матеріалу з високою енергією імпульсу та низькою частотою повторення, під час полірування все навпаки. UKP-лазер вводить енергію в поверхню деталі з частотою імпульсів до 50 МГц, яка накопичується там і дозволяє розплавити верхні 0,2 – 2 мікрометри. Матеріал не випаровується, а утворює шар розплаву, який внаслідок поверхневого натягу сам вирівнюється і застигає при охолодженні. Також властивості поверхні можна регулювати через проведення процесу. "З поліруванням UKP, наприклад, можливо згладити мікронерівності, зберігаючи макроскопічні структури", - пояснює Сасманншаузен. Крім того, за допомогою лазерного процесу можливо полірувати складні 3D-поверхні з мікрометричною точністю. Також можливо селективне полірування вибраних ділянок, щоб цілеспрямовано налаштувати властивості поверхні або полірувати лише необхідні ділянки, що, в свою чергу, економить час. Полірування UKP доповнює лазерне макро- та мікрополірування ще більш точним і локально застосовуваним підходом до полірування поверхні.
Ефективний процес для промислової обробки твердих матеріалів
В залежності від вимог процесу, лазерне полірування досягає швидкостей поверхні від десяти до 100 см² на хвилину і таким чином майже відповідає швидкостям поверхні попереднього видалення матеріалу. "Комбінація обох процесів з одним лазером в одному затиску дозволяє компаніям розширити свою пропозицію з уже наявними UKP-лазерами або значно прискорити амортизацію після нової покупки", - пояснює Сасманншаузен.
Але головним чином вона підходить для заміни механічних процесів в обробці твердих матеріалів, тим самим завершуючи частково величезний знос інструментів у їх виробництві. Це сприяє не лише зниженню витрат, але й конкретно до більшої ресурсної та енергетичної ефективності. За словами Сасманншаузен та Вогеля, потенціал комбінації процесів ще далеко не вичерпано. Завдяки швидшим полігональним сканерам, вищим лазерним потужностям та збільшеним лазерним плямам можливо значно підвищити швидкості поверхні. Зацікавлені промислові партнери запрошуються спільно з дослідницькою командою Fraunhofer ILT розпочати кроки оптимізації.
Контакт:
