В период пандемии многие выставочные и технологические компании стали использовать онлайн-формат для обсуждения важных вопросов оснащения, модернизации, автоматизации промышленных производств, особенностей оборудования и инструмента при решении определенных задач, позволяющих производимой продукции соответствовать высоким запросам современного рынка.
Группа компаний «Лазеры и аппаратура» из Зеленограда, хорошо известная читателям журнала «РИТМ Машиностроения», организовала онлайн-экскурсию по лаборатории микрообработки. Заместитель директора Анна Цыганцова и ее коллеги не просто продемонстрировали промышленные лазерные машины компании, но и сделали акцент на вопросах выбора, который в случае высокотехнологичного оборудования определяется не только ценой, но поставленными задачами. Вопрос особенно актуален в связи с тем, что с меняющейся экономической ситуацией и развитием современной промышленности все больше производителей и фирм-дилеров начали предлагать оборудование для лазерной микрообработки, хотя раньше в силу его сложности количество поставщиков было ограничено. В ГК «Лазеры и аппаратура» выпускают такое оборудование с 1998 года и хорошо понимают, что качество для пользователя обеспечивается большими усилиями производителя.
Что такое лазерная микрообработка? У всех разное представление: скрайбирование, микроструктурирование, сверление отверстий и т. д. Когда про нее говорят профессионалы, как правило, имеют в виду класс оборудования, который решает задачи по обработке изделия размерами не больше 100–200 мм с точностью единицы микрон. Чаще речь идет о тонких и хрупких материалах, заготовки из которых после обработки лазером будут подвергнуты десяткам и сотням операций, прежде чем станут конечными изделиями. Отсюда возникают многочисленные и очень серьезные требования: качество обработки, отсутствие микротрещин и остаточных напряжений, минимальное или полное отсутствие зоны теплового воздействия, ограничения по конусности, по остаточным выплескам. Это все диктует высокие требования к оборудованию.
Рассматривая пример платформы «Микро МЛП1» с СО2-лазером с зоной обработки 200×200, Анна сформулировала требования к комплектации установки для микрообработки, которая обеспечивает решение необходимых технологических задач:
• Хорошее основание: жесткое, устойчивое, позволяющее выдерживать и нивелировать вибрации, которые в промышленных цехах неизбежны. Чаще всего для станины используют либо литье, либо гранитное основание. И здесь надо быть осторожным, ведь сейчас на рынке в качестве оборудования для микрообработки вам могут предложить и настольный вариант, который не предполагает станину, когда даже проходящий мимо человек может внести погрешность в процесс. Стоит усомниться и в том случае, если вам говорят про алюминиевую станину, которая обеспечивает точность 2 мкм.
• Конструкция и узлы должны обеспечивать устойчивость к температурным воздействиям. Например, если зимой температура утром в цехе 12 градусов, а днем, когда обогрели, уже 25, этот разброс может быть критичен для процесса микрообработки.
• Как правило, в оборудовании для микрообработки используются линейные двигатели. В компании «Лазеры и аппаратура» они собственной оригинальной конструкции с обязательными линейками обратной связи. Наличие линейки обратной связи обеспечивает точность позиционирования. Если ее нет (такое бывает!), наблюдается низкая стабильность и повторяемость процесса. Если ставить оптическую линейку обратной связи, то можно выходить на точности порядка 1–3 мкм, если магнитную — 15–30 мкм, при отсутствии — 50–100 мкм.
• Лазерный источник и оптика, которая доставляет излучение к месту обработки, должны иметь определенные характеристики. Излучение должно быть с длиной волны, наилучшим образом поглощаемой обрабатываемым материалом. Выбирается особая форма и размер пятна луча. Пространственно-временные характеристики излучения, которые могут быть некритичны в других процессах лазерной обработки, в микрообработке играют существенную роль. Вариантов выбора лазера в результате множество. Это могут быть СО2- и волоконные лазеры самых разных мощностей; по длительности импульса — фемтосекундные, пикосекундные и наносекундные лазеры; по длине волны — ИК и ультрафиолетовые; вторая, третья гармоника излучения… Все зависит от того, какая задача решается. Кроме того, например, использование оптической схемы на основе гальваносканера позволяет обеспечивать скорости в разы выше, чем любые координатные столы, а именно — на уровне 1–3 м/сек.
• Система управления в лазерной машине — это не только видимые снаружи компьютер, клавиатура, мышь, но и вся электроника, размещенная внутри, включая системы контроля. К системам контроля относятся видеокамера и видеоканал, которые выведены на отдельный монитор, а также интеллектуальные системы: например, система слежения за поверхностью, система позиционирования и слежения по реперным точкам, системы обратной связи.
• Периферическое оборудование: продувка, поддув, устройства крепления деталей (специальная оснастка, тисочки, накладки) также важны при работе с мелкими деталями из хрупких материалов.
В качестве примера на установке MicroLab MLP1 специалисты компании продемонстрировали прошивку отверстий в одном из наиболее распространенных материалов поликоре (фигурную резку и сверление отверстий). На самом деле поликор можно обрабатывать разными типами лазеров: импульсными волоконными, квазинепрерывными волоконным, СО2, но в каждом случае будет своя специфика. Результат будет отличаться, и это надо понимать, когда вы выбираете установку или делаете детали на заказ. Если используется маломощный импульсный волоконный лазер 50 Вт, то на толщинах 0,3–0,4 мм необходим многопроходный режим, а это означает невысокое качество и невысокую производительность (хотя, возможно, они будут устраивать в конкретном случае). Для повышения качества и производительности требуется большая мощность, которую могут обеспечить квазинепрерывные волоконные лазеры 150 Вт. При еще более высоких требованиях вы можете использовать СО2-лазеры мощностью 200 Вт (как в продемонстрированном случае). На представленной установке может быть также выполнено скрайбирование поликора. При этом достигается скорость порядка 10–15 м/мин. Пластинки на 0,5, 1, 1,5 мм отлично ломаются и довольно быстро обрабатываются. Можно обрабатывать и другие керамики, в т. ч. ситалл, красную керамику, кварцевое стекло, обеспечивая край без трещин, сколов с высокой чистотой поверхности.
Множество возможностей при микрообработке появляется с применением ультракоротких импульсных лазеров. На базе лабораторно-исследовательского стенда с двумя лазерами (фемтосекундным российским и CO2- немецким) в видео была показана прошивка отверстий лазером с длительностью 250 фс. Образец кремния фиксировался с помощью вакуумной оснастки, обеспечивая устойчивое, выровненное по плоскости, точное крепление. Скорость обработки благодаря использованию гальваносканера составила 40 000 мм в мин, или 0,67 м/сек. В результате была получена периодическая система отверстий с высокой повторяемостью.
Какие еще задачи может решить фемтосекундный лазер? Например, для заказчика решалась задача испарения текстолита для оголения медных контактов. Другими лазерами это было сложно сделать, поскольку все сгорало, а при фемтосекундном лазере наблюдалось мгновенное испарение. Возможно обрабатывать различные биодеградируемые материалы и материалы, которые оптически прозрачны для других типов лазеров (это обеспечивается за счет возникновения ультрафотонного поглощения). Возможно обрабатывать даже те материалы, которые невозможно обработать никакими другими способами, инструментами. Так, при обработке с помощью ультракоротких импульсов стеклотекстолита, из которого состоит печатная плата, не образуется токопроводящий слой, который образуется при обработке другими лазерами или другими тепловыми способами. Из ограничений ультракоротких импульсных лазеров стоит указать невысокую предельную толщину обработки. Так, для лазера 50 Вт ограничение по толщине порядка 250 мкм. Но и в этом случае могут быть предложены решения. Глубина обработки может быть увеличена за счет поляризации излучения, технологии многопроходности, изменения длины волны источника и др.
Из всего выше сказанного становится понятно, что лазерная микрообработка не терпит легкомысленного подхода. Перед приобретением оборудования будет полезным не только провести вдумчивый маркетинг оборудования, но и обсудить поставленные перед вами задачи со специалистами, а также при наличии у производителя или в инновационных центрах подобных установок провести эксперименты и выполнить небольшие предсерийные партии. Приложенные усилия в этом случае непременно окупятся новыми возможностями.
Видео размещено: https://www.youtube.com/watch?time_continue=543&v=JHuNVJVG974&feature=emb_logo
Источник журнал "РИТМ машиностроения" № 6-2020
