Laserowy wklęsłodruk – lasery włóknowe? Lasery pikosekundowe; jakość wiązki – część II

6 Dec 2016 14:48

Lasery impulsowe o impulsach w zakresie pikosekund W zakresie laserów generujących impulsy o pikosekundowych czasach trwania przetestowano laser dyskowy firmy Trumpf. W czasie wykonywania eksperymentów był to najmocniejszy na rynku laser dyskowy generujący tak krótkie impulsy (6 ps). Czasy trwania impulsów poniżej 10 ps pozwalają na uzyskanie efektu ablacji z minimalną ilością fazy ciekłej. Wyniki eksperymentów prezentuje rys. 6. Jakość obróbki miedzi laserem tego typu, w skali mikrometrów, była bardzo dobra. Bez analizy kosztów instalacji takich laserów (ok. 300 tys. euro) wyniki grawerowania dla wklęsłodruku byłyby w pełni zadowalające. Dla stali, jak przedstawiono na rys. 6.b, nie uzyskano tak dobrych wyników jak dla miedzi. Wewnątrz kałamarzyków zaobserwowano zastygłą fazę ciekłą lub oderwane fragmenty ciała stałego. Prawdopodobnie przy pracy tuż powyżej progu ablacji wyniki dla stali byłyby lepsze, niemniej produktywność wówczas byłaby minimalna. Testowany laser dyskowy do produkcji cylindrów stalowych dla wklęsłodruku nie jest zatem wyborem oczywistym. Geometrie wiązki laserowej Dla grawerowania cylindrów wklęsłodrukowych z dokładnością rzędu mikrometrów istotne są również profile intensywności. W technice laserowej wyróżnia się wiązkę jednomodową (TEM00), wielomodową (TEMnm) oraz profil „top-hat” z jednorodnym profilem intensywności na powierzchni materiału. Przy projektowaniu systemów optycznych dąży się do osiągnięcia minimalnej średnicy wiązki (np. 15 µm) przy możliwie dużej odległości od ostatniej soczewki ogniskującej. Najlepsze tego typu parametry można osiągnąć używając wiązki jednomodowej. Z kolei wiązki wielomodowe dostarczają z reguły więcej energii promieniowania. Wiązka „top-hat” w pewnych zastosowaniach umożliwia dokładną kontrolę ablacji pojedynczych warstw materiału. Poza rezonatorem laserowym można przetworzyć profil wiązki, np. gaussowskiej, za pomocą mikrosoczewek lub elementów dyfrakcyjnych na inny profil, np. „top-hat”. Ograniczeniem istniejących obecnie metod jest niewystarczająca odporność elementów dyfrakcyjnych na uszkodzenia termiczne podczas pracy z laserami o dużej mocy i przy średnicach wiązki np. około 15 µm. Dlatego też jak do tej pory profil „top-hat” nie jest wykorzystywany do pracy z laserami dużej mocy. Podsumowanie Wykonane badania pozwoliły osiągnąć następujące teoretyczne produktywności przeliczone dla rastra 120 l/cm (rys. 7). Największe produktywności, jakie osiągnięto, wynoszą odpowiednio 0,57 m2/h dla stali oraz 0,26 m2/h dla miedzi. Osiągalna na dzień dzisiejszy produktywność metodą elektromechaniczną wynosi 12 000 kałamarzyków na sekundę, co dla rastra 120 l/cm oznacza wartość 0,3 m2/h. Uzyskano więc dla miedzi produktywność porównywalną z produktywnością metody elektromechanicznej, a dla stali nawet dwukrotnie większą. Na podstawie przeprowadzonych eksperymentów można zauważyć, że im większa energia w impulsie, tym większa głębokość drążenia przypadająca na jeden impuls. Wykazano również ścisłą zależność jakości grawerowanych mikrostruktur od jakości wiązki (mniejsze M2). Im większa energia w impulsie laserowym, tym większa głębokość drążenia przeliczona na jeden impuls. Oznacza to, że w celu osiągnięcia jak największej produktywności należy zastosować źródło laserowe o możliwie największej energii. Tym samym im dłuższy impuls laserowy (w badanym zakresie od 13 do 70 ns), tym większa prędkość ablacji. Taką zależność, dla gęstości energii do 60 J/cm2, zaobserwowano zarówno dla stali, jak i miedzi. Jednak dla gęstości energii powyżej 60 J/cm2 prędkość ablacji miedzi spada. Wydaje się więc, że idealnym źródłem laserowym dla aplikacji wklęsłodruku byłby laser generujący, np. o energii w impulsie 10 mJ, o czasie trwania 100 ns, częstości repetycji 100 kHz i jakości wiązki M2 = 1. Najlepszym rozwiązaniem wydają się być lasery włóknowe oferujące oprócz odpowiednich parametrów energetycznych i jakości wiązki bardzo dobrą stabilność pracy lasera. Wykonane próby eksperymentalne i ich analiza pozwoliły na zbadanie zjawiska ablacji metali objętościowych promieniowaniem laserowym pod kątem możliwości zastosowania laserów włóknowych do aplikacji wklęsłodruku. Opracowań w literaturze pod tym kątem właściwie nie znaleziono. Przedstawione wyniki zostały uzyskane we współpracy z firmą RSD-Technik GmbH. Pokazano, że przy użyciu laserów włóknowych o energii w impulsie powyżej 5 mJ można osiągnąć dobre efekty ablacji. Wobec obecnego trendu do faworyzowania laserów femtosekundowych lub pikosekundowych jest to wynik zaskakujący. Dotychczas jednak tak duża moc promieniowania oznaczała jakość wiązki daleko powyżej M2 = 1. Obecnie firma IPG-Photonics oferuje moc promieniowania 3 kW z M2 = 1,4. Inną możliwością jest wykorzystanie lasera włóknowego firmy IPG o energii w impulsie 10 mJ i czasie trwania ok. 100 ns. W zakresie pikosekundowych czasów trwania impulsów nie ma – wg wiedzy autora – lasera włóknowego, który byłby konkurencją dla lasera dyskowego firmy Trumpf do zastosowań w przemyśle mikroobróbki metali. Jak pokazano w wynikach, idealne w sensie jakości obróbki miedzi byłyby lasery generujące impulsy w granicach kilku pikosekund i o możliwie największej częstości repetycji i energii w impulsie.