Станок для лазерной резки полимерных композиционных материалов

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Содержание

Введение

Состав оборудования

Волоконный лазер

Станок

Система подачи технологического газа

Газолазерная головка

Вытяжная система

Система управления установкой

Заключение

Список использованных источников

Приложение

Введение

Композиционные материалы (композиты) - многокомпонентные материалы, состоящие, как правило, из пластичной основы (матрицы), армированной наполнителями, обладающими высокой прочностью, жесткостью и т.д. Сочетание разнородных веществ приводит к созданию нового материала, свойства которого количественно и качественно отличаются от свойств каждого из его составляющих. Варьируя состав матрицы и наполнителя, их соотношение, ориентацию наполнителя, получают широкий спектр материалов с требуемым набором свойств. Многие композиты превосходят традиционные материалы и сплавы по своим механическим свойствам и в то же время они легче. Использование композитов обычно позволяет уменьшить массу конструкции при сохранении или улучшении ее механических характеристик.

Композиты, в которых матрицей служит полимерный материал, являются одним из самых многочисленных и разнообразных видов материалов. Их применение в различных областях дает значительный экономический эффект. Например, использование ПКМ при производстве космической и авиационной техники позволяет сэкономить от 5 до 30% веса летательного аппарата.

Резкое отличие природы КМ от традиционных конструкционных материалов, а именно: гетерогенность материала, анизотропия свойств, наличие компонентов с различными механическими и термическими свойствами, внутренние напряжения в материале, а также гораздо более существенное влияние характера и условий механической обработки на конечные физико-механические характеристики готового изделия - требует своего самостоятельного подхода к рассмотрению основных моментов обработки КМ.

Энергия лазерного излучения используется для термообработки, сварки и резки заготовок, а также получения отверстий. Однако наиболее универсальным и широко распространенным методом является резка КМ. Использование пучка лазера обеспечивает получение точных чистых резов композита при скоростях, в несколько раз превышающих скорости механического резания. Кроме того, к преимуществам лазерной резки можно отнести: отсутствие силы резания и, как следствие, деформаций, напряжений, расслоений и растрескивания разрезаемых КМ; очень узкий рез 0,2…0,8 мм; отсутствие особых требований к рабочей среде; малая зона термической деструкции; возможность точного автоматизированного управления. Поэтому тему работы актуальна.

Эффективность лазерного разрушения полимерных материалов зависит от количества поглощенной энергии при определенной плотности мощности. При действии ИК лазерного излучения (СО2 , СО - лазеры) на полимеры и композиты происходит поверхностное поглощение энергии, глубина слоя составляет от долей до десятков микрометров и зависит от состава полимера и композита. Время релаксации лазерной энергии в тепло в полимерных материалах составляет 10-12 - 10-3 с, что является высокоинтенсивным источником нагрева. На процесс разрушения полимерных материалов большое влияние оказывают теплофизические свойства материала. Для большинства полимеров коэффициент теплопроводности лежит в пределах (0,15, 0,50) х 10-2 Вт/см х К. Полимеры являются плохими проводниками тепла и все эффекты, связанные с разрушением, будут поверхностными.

Процессы разрушения полимеров под лазерным излучением имеют отличительные особенности, по сравнению с металлами. Кинетика и механизм лазерного разрушения полимерных материалов зависят от их строения и сильно различаются, что создает определенные сложности в обобщении фактов процесса разрушения полимеров.

Полимеры подразделяются на три категории в зависимости от поведения их при лазерном воздействии:

* А) полимеры, которые плавятся и разбрызгиваются;

* Б) полимеры, образующие на поверхности слой угля;

* В) полимеры, испаряющиеся без остатка.

Сложность выбора технологических режимов лазерной резки неметаллических композиционных материалов состоит в том, что армирующие волокна и связующие имеют разные характеристики, такие как теплопроводность, температуры испарения и плавления, оптические свойства для заданных длин волн и др. Теплопроводность волокна является анизатропическим свойством, тогда как для связующего это объемное свойство.

Результаты экспериментальных исследований по лазерной резке полимерных материалов показали, что различие в теплофизических свойствах у составляющих материал компонентов требует оптимизации энергетических и пространственных параметров лазерного излучения, используемого для резки, а также скорости резки. Для обеспечения высокого качества реза необходимо использовать одномодовое излучение с гауссовым распределением, которое обеспечивает локальность нагрева и разрушение композита. Необходимо заметить, что качество реза повышается при использовании импульсно-периодического характера излучения.

При воздействии лазерного излучения на вещество в целях осуществления технологического процесса можно выделить три группы факторов, определяющих условия взаимодействия и конечный результат обработки:

Группа факторов, связанная с теплофизическими свойствами материала: теплопроводность, теплоемкость; температура плавления, испарения, фазовых переходов, разложения; плотность; удельные энергии плавления, испарения, сублимации; коэффициент отражения; показатель поглощения.

Группа факторов, определяющая оптические, энергетические и временные параметры лазерного излучения: длина волны и степень поляризации излучения; мощность и плотность мощности; энергия в импульсе, длительность и частота следования импульсов.

Группа факторов, характеризующая технологические условия проведения процесса: скорость перемещения образца; диаметр сфокусированного пучка; угол схождения лучей после фокусирующей системы; род, давление, скорость газа и конструкция устройства(сопла), направляющего поток газа в зону обработки; зазор между соплом и обрабатываемым материалом; положение фокальной плоскости относительно поверхности материала.

Цель работы: разработка принципов и технологий лазерной обработки полимерных композиционных материалов; исследование образца лазерной установки на основе волоконного лазера для отработки технологий лазерной резки ПКМ.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

Определяется состав оборудования.

Осуществляется подбор излучателя.

Выдвигаются требования к системе управления, системе подачи технологического газа, вытяжной системе.

Выполняется сборочный чертеж станка для лазерной резки ПКМ.

лазерная резка композиционный материал

Состав оборудования

Установка предназначена для лазерной обработки неметаллических композиционных материалов с различными физико-химическими свойствами. Основными ее компонентами являются:

1. Иттербиевый волоконный лазер (предназначен для резки изделий из стеклопластика);

2. Станок (предназначен для размещения системы позиционирования, подачи технологического газа и закрепления изделия). Его составляющие:

- устройство для крепления заготовки (механизм, позволяющий надежно закрепить заготовку для последующей ее обработки);

- координатный стол - 3-х координатные линейные приводы с электромоторами (осуществляют перемещение лазерной головки по осям);

- станина (неподвижная часть станка, на которую крепится соответствующее оборудование);

3. Система подачи технологического газа (осуществляет подачу технологического газа в зону резания для удаления газообразных продуктов распада композиционного материала из канала реза);

4. Газолазерная головка (предназначена для фокусировки лазерного излучения и подачи технологического газа в зону резания);

5. Вытяжная система (уменьшает концентрацию вредных газообразных продуктов резки композиционных материалов);

6. Система управления (контроллеры двигателей, контроллеры исполнительных устройств (клапанов и т.п.), специальное программное обеспечение, персональный компьютер).

Волоконный лазер

Волоконный лазер состоит из модуля накачки (как правило, широкополосные светодиоды или лазерные диоды), световода, в котором происходит генерация, и резонатора. Световод содержит активное вещество (легированное оптическое волокно -- здесь, фактически, сердцевина без оболочки, в отличие от обычных оптических волноводов) и волноводы накачки.

Высокая прозрачность кварца -- основного материала для оптических волокон -- обеспечивается насыщенными состояниями энергетических уровней атомов. Примеси, вносимые легированием, превращают кварц в поглощающую среду. Подобрав мощность излучения накачки, в такой среде можно создать инверсное состояние заселенностей энергетических уровней (то есть, более некоторые высокоэнергетические уровни будут заполнены больше, чем основной). Исходя из требований на резонансную частоту (инфракрасный диапазон в для телекоммуникаций) и малую пороговую мощность накачки, как правило, легирование выполняют редкоземельными элементами группы лантаноидов. Одним из распространенных типов волокон является эрбиевое, которое используется в лазерных и усилительных системах рабочий диапазон которых лежит в интервале 1530--1565 нм. В усилителях необходимо различать полезный сигнал и сигнал накачки, поэтому накачка производится на более высоких частотах. Последнее является причиной, по которой обычная двухуровневая система накачки в волоконных усилителях не применяется. В следствие различной вероятности переходов на основной уровень с подуровней метастабильного, эффективность генерации или усиления различна для различных длин волн в рабочем диапазоне.

Существуют различные конструкции накачки оптических волноводов, из которых наиболее употребительными являются чисто волоконные конструкции. Одним из вариантов является размещение активного волокна внутри нескольких оболочек, из которых внешняя является защитной. Первая оболочка изготовляется из чистого кварца диаметром в несколько сотен микрометров, а вторая -- из полимерного материала, показатель преломления которого подбирается существенно меньшим, чем у кварца. Таким образом первая и вторая оболочки создают многомодовый волновод с большим поперечным сечением и числовой апертурой, в который запускается излучение накачки. Эффективное возбуждение ионов редкоземельных элементов достигается подбором диаметров активной серцевины и волновода накачки. По такой технологии можно получить выходную мощность порядка 100 Вт.

Большие мощности накачки достигаются с помощью технологии GTWave. В одну защитную оболочку встраивается несколько волноводов, один из которых является активным, а другие являются волноводами накачки. Накачка осуществляется благодаря эванесцентному полю, проникающему в активную среду через их стенки. Особенностью технологии является возможность ввода излучения накачки через оба торца каждого из волноводов накачки.

Резонатор внутри оптического волокна создается парами внутриволоконных брэгговских решеток -- участков оптического волновода, в которой создается структура с модулированным показателем преломления. Участки с измененным показателем преломления (штрихи) располагаются перпендикулярно оси волновода. Отражение от такой структуры происходит на длине волны

лB = neffЛB,

где neff -- эффективный показатель преломления основной моды, ЛB -- период решетки. Характер отражения (полное или частичное), будет зависеть от её параметров. Ширина спектра отражения при большом количестве штрихов становится пропорциональной коэффициенту связи к, связанным с коэффициентом отражения соотношением

R = tanh2кL,

где L -- длина решетки. На практике созданная внутри волокна брэгговская решетка имеет несколько иные параметры, так как само её создание меняет эффективный показатель преломления в месте нахождения решетки, и таким образом, саму её резонансную длину волны. Для внутриволоконных решеток являются опасными высокие температуры. Хотя в целом, температура разрушения решетки существенно зависит от метода её создания и материала волокна, чаще всего критические температуры лежат в диапазоне 300--600°C.

В волоконных ВКР-лазерах иногда создают более одной пары брэгговских решеток на разные длины волн для достижения большего порядка рассеяния (каждый следующий порядок рассеяния изменяет длину волны фотонов, что позволяет достичь требуемую длину волны).

Преимущества волоконного лазера:

Технологические

Для волоконных лазеров не требуется техническое обслуживание, юстировка, чистка и настройка. Они допускают размещение в рабочих обычных помещениях цехов без учета каких-либо требований. Компактность установок обуславливается тем, что лазер занимает удобное месторасположение для работы, даже если он находится далеко от места, где происходит сварка и обработка деталей. Срок работы достигает 100000 часов, так как огромной нагрузки волокно и диоды не испытывают.

Оптические

Длина излучения волны - l мкм. Эта длина дает длинный ряд преимуществ. Излучение будет великолепно фокусироваться благодаря стеклянным линзам, что позволяет сэкономить при установке фокусирующей системы значительные денежные средства. Излучение с этой длиной может передаваться на большие расстояния по волокну. Поэтому лазерная установка находится в удобном месте для работы, а волокно будет протягиваться непосредственно на место сварки.

Энергетические

Малая теплоотдача, которая не требует охлаждения, а это значит, что лазер и суммарное потребление энергии становится проще и компактнее в обслуживании и ремонте.

В качестве лазерного излучателя выбран иттербиевый волоконный лазер ЛС-1 производства НТО «ИРЭ-Полюс» (рисунок 1).

Рисунок 1 - Иттербиевый волоконный лазер ЛС-1 [http://www.ntoire-polus.ru/stan2007.11_pp36-37.pdf]

Предлагается в стоечном исполнении. Имеет маломодовый выход с ВРР = 2,5 ммЧрад. Типичный КПД ? 25 %

Выбор излучателя этого типа обусловлен его высоким КПД, высокими эксплуатационными характеристиками, достаточной мощностью, коммерческой доступностью. Охлаждение лазера - жидкостное (вода или антифриз) с использованием чиллеров вода - воздух или вода - вода. Так как мощность лазера управляется изменением тока накачки, то при выключении излучения, даже кратковременном, потребление лазера падает до уровня, соответствующего потреблению встроенной компьютерной системы управления. В результате средняя потребляемая мощность оказывается в 2-3 раза меньше максимальной даже при работе на максимальной выходной мощности за счет выключения лазера в паузах. Волоконный лазер не требует юстировки, обслуживания либо регламентной замены каких-либо узлов в течение всего срока эксплуатации. Рассчитан на многолетнюю работу в заводских условиях при 2-3 -сменной нагрузке на полной мощности.

Технические характеристики ЛС-1 приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Технические характеристики ЛС-1

Параметр	Значение
Максимальная выходная мощность, ВТ	1000
Режим работы	непрерывный, с возможностью модуляции
Качество выходного пучка ВРР, ммЧмрад	2,2
Оптический выход	коннектор QBH
Охлаждение	водяное
Потребление, кВт	4
Габариты ШЧГЧВ	856Ч806Ч1186
Вес, кг	250

Станок

Координатный стол -- промышленная установка, комплекс оборудования, предназначенный для перемещения по заданной траектории рабочего механизма (в нашем случае - лазерная головка) станка или позиционирования обрабатываемой детали.

Современный координатный стол -- сложная мехатронная система, объединяющая несущую конструкцию опоры с электромеханическим приводом и многоосной системой подачи, и исполнительный механизм произвольного назначения. В качестве привода широкое применение получили сервоприводы с шариковой винтовой парой (ШВП), с обратной связью на базе энкодеров. Использование цифрового ЧПУ позволяет полностью автоматизировать процесс производства деталей. Точность обработки д = ± 0,1 (0,05) мм.

Несущей основой, обеспечивающей жёсткость координатного стола, может служить станина или рама. Станина представляет собой сварную или литую стальную, реже чугунную конструкцию. Литая станина дороже, она более металлоёмкая, зато лучше гасит вибрацию. Ее применение оправдано в тяжёлых металлообрабатывающих станках, особенно работающих на больших скоростях. Для легких и средних станков целесообразнее использовать сварную конструкцию.

Существует несколько вариантов конструкции координатного стола, самые распространённые из них - портальная и крестовая. Выбор конструкции обуславливается его назначением и заданными техническими характеристиками. В станках лазерного раскроя применяются координатные столы портального типа.

На несущей раме монтируются приводы подачи для перемещения исполнительного механизма (ГЛГ) и рабочая плита (решётка), на которой крепится обрабатываемая деталь. Фиксация детали обеспечивается механическим прижимом.

В приводе координатного стола используются традиционные передачи, такие, как зубчатый ремень, пара шестерня-рейка и винт-гайка, шарико-винтовая пара, либо система прямого привода с двигателем непосредственного преобразования электромагнитной энергии в линейное перемещение.

Передача подбирается исходя из требований к системе по нагрузке, точности и скорости перемещения. Шарико-винтовая пара обеспечивает высокую точность позиционирования (6-12 микрон), плавность хода, низкий люфт, однако имеет скоростные ограничения, особенно при длине винта от 1500 мм и более.

Предварительно выбираем направляющие и двигатели фирмы FESTO.

Серводвигатель DNC-32-25-PPV-A (рисунок 2).

Рисунок 2 - Серводвигатель DNC-32-25-PPV-A [ Электронный каталог FESTO 2010]

Стандартный цилиндр По ISO 15552, с корпусом из профиля, возможностью опроса положений и регулируемым демпфированием в обоих крайних положениях.

Цилиндр двустороннего действия:

- Диаметр поршня 32…125 mm

- Ход

Стандартный 25…500 mm

Переменный 10…2000 mm

- Двустороннее регулируемое демпфирование или эластичные кольца в конечных положениях.

- Бесконтактный опрос положения

- Наружная резьба на поршне (базовое исполнение)

Опрос положения возможен с помощью датчиков:

электрические SM…-8 (контактные и бесконтактные)

пневматические SMPO.

Характеристики:

- Современный дизайн и прочный корпус экономит до 11% габаритных размеров по сравнению с другими цилиндрами

- Два паза для датчиков с трех сторон цилиндра

- Датчики опроса положения могут устанавливаться в паз цилиндра напрямую или с помощью монтажных комплектов

- Многочисленные элементы крепления

- С электронной системой демпфирования

Soft-Stop возможно увеличение скорости цикла и плавная остановка

- Многочисленные варианты специальных исполнений

- Передняя и задняя крышки напрямую стыкуются с гильзой цилиндра

- Винт с внутренним шестигранником и внутренней резьбой для установки элементов крепления

- Защитная планка для паза (для защиты кабеля датчика и защиты от загрязнений паза)

- Дополнительные упругие демпфирующие кольца в конечных положениях для снижения остаточной энергии при высоких скоростях и частоте работы цилиндра.

Линейные направляющие (таблица 2).

Таблица 2 - Технические характеристики линейных направляющих

Параметр	Значение
Тип устройства	Электромеханический линейный привод с шарико-винтовой парой
Ход, мм	1000 (1500)
Максимальная сила подачи, Н	610
Максимальная скорость перемещения каретки, м/с	3
Точность, мм	0,05

Система подачи технологического газа

Система формирования и транспортировки излучения и газа предназначена для передачи лазерного пучка от излучателя к обрабатываемой детали, а также для формирования требуемых параметров газа, поступающего в зону реза через сопло.

Рабочая лазерная головка сконструирована таким образом, чтобы подводить технологический газ в область реза. Технологический газ необходим при резке для предотвращения возгорания материала и для выдувания продуктов разложения материала из области обработки. Кроме того технологический газ защищает линзу от копоти и других продуктов горения. Благодаря системе подвода газа качество резки всегда будет идеальным, а оптические элементы системы прослужат долго.

В нашем случае технологический газ подается в зону резки соосно с лазерным лучом.

Рисунок 3 Схемы подачи вспомогательного газа в зону резки

Газолазерная головка

ГЛГ представляет собой рабочий передвижной съемный элемент станка лазерной резки, служит для максимальной концентрации светового потока и преобразование его в лазерный луч. Она состоит из блока сведения луча, оптических элементов и сопла. Перемещается по осям с определенной скоростью.

Вытяжная система

Любое лазерное оборудование требует подключения эффективной системы вентиляции (вытяжки). При лазерной резке материала выделяется дым и копоть, а иногда горючие газы. Вытяжное устройство предназначено для улавливания и удаления различных видов дыма, паров хим. реактивов и легкой пыли, а также т.п. вредных летучих веществ, выделяющихся на небольших стационарных рабочих местах.

Вытяжное устройство состоит:

из жестких и гибких воздуховодов, снаружи которых расположен опорный механизм;

универсальной монтажной опоры, позволяющей крепить вытяжное устройство;

патрубка для подключения к системе вентиляции;

круглой воздухоприемной воронки, которая может поворачиваться на угол до 90 град от оси в горизонтальной и вертикальной плоскости.

Рычаги выполнены из листовой стали и окрашены высококачественной порошковой краской. Гибкие соединения выполнены из ПВХ. Для регулирования расхода воздуха вытяжное устройство снабжено заслонкой.

Вытяжное устройство устанавливается:

в монтажном отверстии рабочего стола при помощи фланца поворотного узла;

на стене при помощи кронштейна;

на монтажной балке (опция), которая позволяет смонтировать вытяжное устройство в необходимом месте.

Вытяжное устройство может поворачиваться вокруг своей оси на 360 град.

Система управления установкой

Включает в себя:

-контроллеры двигателей;

-контроллеры исполнительных устройств (клапанов и т.п.);

-специальное программное обеспечение;

-персональный компьютер.

Контроллер - управляющее устройство, применяемое для автоматизации технологических процессов.

Управление приводом и механизмами координатного стола осуществляется системами ЧПУ. По принципу формирования управляющего сигнала они делятся на аналоговые, импульсные и цифровые. Аналоговые схемы ЧПУ сегодня самые распространённые и широко используются в машиностроении. Тем не менее из-за ограниченного быстродействия их применение не всегда возможно в системах, работающих на высоких скоростях.

Импульсные системы используются для управления шаговыми двигателями или синхронными двигателями, имеющими импульсный вход. По характеристикам они уступают цифровым, но поскольку стоимость таких устройств почти на порядок ниже, их часто используют в бюджетных системах, не требующих особой точности позиционирования и обратной связи.

Современные цифровые системы получают сегодня все большее распространение благодаря широким возможностям обработки сигнала, удобству интерфейса, помехоустойчивости. Они реализуются с использованием стандартных протоколов -- Profibus, CAN, Sercos и других. Управляющая программа для систем ЧПУ генерируется вручную либо конвертируется из файлов, подготовленных в специальных программах, таких, как AutoCAD, SolidWorks, Компас.

Заключение

В результате выполнения работы определены основные характеристики оборудования, необходимого для газолазерной резки полимерных композиционных материалов. Исследован образец лазерной установки на основе волоконного лазера. Подобраны комплектующие установки, отвечающие высоким требованиям точности, надежности и экономической целесообразности. Установка удовлетворяет предъявляемым требованиям. Таким образом, цель работы достигнута.

Список использованных источников

А.Г. Григорьянц Технологические процессы лазерной обработки М.: Издательство МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2006, 662 с.

А.Г. Григорьянц Лазерная обработка неметаллических материалов М.: Высшая школа, 1988, 189 с.

В.И. Кулик Механическая и физико-техническая обработка композиционных материалов: Учебное пособие/ БГТУ СПб., 2004, 175 с.

В.А. Панов Справочник конструктора оптико-механических приборов Л.: Машиностроение, 1980, 742 с.

Приложение

Координатный стол

Рисунок 4 - Координатный стол (вид слева)

Рисунок 5 - Координатный стол (вид сверху)



Рисунок 6 - Координатный стол (общий вид)

Установка с лазером

Рисунок 7 - Установка с лазером (общий вид)

Станина

Координатный стол

Газолазерная головка

Гибкий кабель-канал

Иттербиевый волоконный лазер

Размещено на Allbest.ru