Лазерные технологии в деревообработке
Пеньков И.В., Шевляков А.А. (МГУЛ, г. Мытищи, РФ)
Processing of wood materials by means of laser technologies. The potential of the semiconductor lasers in the processing technologies of wood materials. Review article.
Развитие научно-технического прогресса позволяет применять новые технологии в тех отраслях промышленности, в которых сложились стереотипные подходы к обработке материалов. Одной из таких отраслей является деревообрабатывающая промышленность. Применение стандартных методов обработки древесных материалов в настоящее время не всегда экономически целесообразно. Достижение требуемого качества изделий порой достигается большой энерго- и трудоёмкостью, сопряжено с временными и финансовыми потерями. Возрастающие требования заказчиков и авангардные разработки дизайнеров ставят задачу нахождения новых решений при обработке древесных материалов.
Одним из таких решений является применение оптических квантовых генераторов (далее лазеров) [1]. Лазерное излучение, обеспечивая высокую концентрацию энергии, позволяет резать практически любые материалы независимо от их теплофизических свойств или нагревать их поверхностные слои до нужной температуры. Сам факт применения сфокусированного излучения подразумевает получение узких линий реза с минимальной зоной термического влияния. При лазерной обработке отсутствует механическое воздействие на обрабатываемый материал, за счет чего его деформации минимальны, как в процессе воздействия луча, так после полного остывания поверхностей разреза. Вследствие этого лазерную обработку можно осуществлять с высокой степенью точности, в том числе легкодеформируемых и нежестких заготовок или деталей. Лазер позволяет обработать самые сложные криволинейные фигуры не только с большой точностью, но и с высокой скоростью.
Применение CO2 лазера для резки материалов позволило по-другому посмотреть на использование лазеров [2]. Новые технологии в полупроводниковой технике и микропроцессорных системах дали возможность построения компактных и энергоэффективных обрабатывающих лазерных систем. Благодаря развитию информационных технологий большое распространение получили лазеры с полупроводниковой накачкой [1]. Их основные преимущества в отличие от лазеров с ламповой накачкой в том, что они потребляют значительно меньше электроэнергии, в конструкции этих лазеров отсутствуют сменные компоненты. «Время жизни» наиболее «изнашиваемых» компонентов лазеров с полупроводниковой накачкой превышает 10000 ч. Это позволяет строить надежные и, вместе с тем, удобные системы.
Необходимо отметить требовательность полупроводниковых лазеров в высококачественных источниках тока. Незначительное превышение питающего тока свыше предельно допустимого приводит к разрушению оптической системы прибора. Применение современной элементарной базы в схемотехнике источников питания лазерных диодов позволяет минимизировать стоимость всей системы и существенно упрощает построение систем регулирования и контроля луча.
Из лазеров с полупроводниковой накачкой наиболее перспективными являются волоконные лазеры (Fiber Laser или Faser) [3]. Сегодня эти устройства достигли уровня характеристик, таких как мощность и надежность, позволяющих с успехом использовать их для решения различных задач лазерной обработки материалов. Волоконные лазеры имеют очень высокую (до 80%) эффективность преобразования излучения лазерных диодов в полезное излучение [4]. Для обеспечения их работы достаточно воздушного охлаждения.
Применительно к технологии обработки древесных материалов можно выделить несколько областей применения лазеров: раскрой, гравировка, разметка, облицовка кромок и т. д.
При лазерной обработке древесных материалов мы получаем полное отсутствие сколов и трещин. Благодаря большой плотности мощности лазерного излучения обеспечивается высокая производительность процесса в сочетании с высоким качеством поверхностей реза. Легкое и сравнительно простое управление лазерным лучом позволяет осуществлять лазерную резку по сложному контуру как плоских, так и объемных деталей и заготовок с высокой степенью автоматизации процесса, что делает лазер незаменимым инструментом для оптимизации технологического процесса. При этом снижаются энергетические затраты связанные с мощностью и пусковыми моментами электродвигателей, и холостыми пробегами инструмента при перемещении материала. Так как луч зажигается только в месте реза, то в полупроводниковых лазерных системах холостые действия минимальны. Не маловажная деталь это экономия на режущем инструменте. Отсутствует быстрый износ и как следствие последующая заточка. Эти особенности лазерной резки наглядно демонстрируют несомненные преимущества процесса по сравнению с традиционными методами обработки.
Основная проблема лазерной обработки древесных материалов – необходимость избежать обугливания краев древесных материалов при обработке [2, 3]. Если для выполнения обработки древесины в лазерных установках генерируется луч с длиной волны 10,6 мкм, то коэффициент поглощения древесиной данной длины волны близок к 100%, то есть практически вся энергия лазерного луча поглощается в слое толщиной, соизмеримой с длиной волны (около 10 мкм). Вследствие огромной интенсивности лазерного излучения в пятне фокусировки лазера этот поверхностный слой практически мгновенно нагревается до очень высокой температуры. Происходит термическая деструкция этого слоя (без возгорания), а продукты деструкции удаляются из зоны реза потоком воздуха, продуваемого через рез под высоким давлением. При режиме обработки, когда скорость движения фронта деструкции в глубину материала равна скорости распространения тепловой волны, зоны обугливания практически не существует. Таких режимов обработки удается добиться на одномодовых лазерах, при продувании реза воздухом со сверхзвуковыми скоростями. При применении многомодовых технологических лазеров и использовании неоптимальных сопел образуется слой с измененными свойствами. Его величина зависит от породы обрабатываемой древесины или свойств древесных материалов и колеблется в пределах 10-50 мкм, то есть составляет не более 0,05 мм. Для обеспечения качественного лазерного реза применяется продувание зоны реза инертными газами или азотом. Ширина лазерного реза составляет 0,3-0,5 мм, в зависимости от применяемого лазера и обрабатываемой древесины [2].
Лазерная гравировка позволяет создавать достаточно сложное изображение, сформированное при помощи компьютерного моделирования. В свою очередь применение импульсного управления интенсивностью излучения расширяет возможности гравировки и делает возможным создание объёмных изображений.
Одно из неординарных направлений применения лазеров реализовано фирмами Homag и IMA [5]. Ими разработана технология облицовки кромки древесно-стружечных плит без использования стандартного клеевого узла кромко-облицовочных станков. В ее основе лежит проецирование лазерного луча на всю ширину кромочного материала и расплавление его внутренней поверхности. При прижатии кромочного материала к кромке плиты расплавленный слой глубоко проникает в структуру плиты и создает прочное соединение с ней. Новый узел на базе диодного лазера позволяет снизить потери энергии за счет отсутствия необходимости разогрева клей-расплава и холостой работы узла, а также времени на подготовку станка к работе и его обслуживание.
Литература
1. Frank Träger (Ed.), Springer Handbook of Lasers and Optics. Springer Science+Business Media, LLC New York, 2007.
2. Nukman Yusoff, Saiful Rizal Ismail, Azuddin Mamat and Aznijar Ahmad-Yazid, Selected Malaysian Wood CO2-Laser Cutting Parameters And Cut Quality, American Journal of Applied Sciences 5 (8): 990-996, 2008.
3. Juan Carlos Hernandez*, Philippus Crouse, Lin Li, High-power Yb-doped Fibre Laser for Cutting Dry Pine Wood. Proceedings of the World Congress on Engineering 2007 Vol. II WCE2007, Forest products journal, 2007, July 2-4, London, U. K.
4. С.Вудс, М.Дака, Г.Флин, Волоконные лазеры средней мощности. Статья журнал Фотоника №4 2008 г. стр. 6-10.
5. Homag AG. Press Release. HOMAG laserTec Patent underpins technological Leadership, No. 16, April 10, 2010.