pimiПриборы и методы измеренийDevices and Methods of Measurements2220-95062414-0473BNTU10.21122/2220-9506-2024-15-2-131-141pimi-873Research ArticleМетоды измерений, контроля, диагностикиMethods of measurements, monitoring, diagnosticsОценка шероховатости поверхности неметаллических материалов при лазерной обработкеAssessment of Surface Roughness of Non-Metallic Materials during Laser ProcessingАлексеевВ. А.AlekseevV. A.

ул. Студенческая, 7, г. Ижевск 426069, Россия

Studencheskaya str., 7, Izhevsk 426069, Russia

УсольцеваА. В.UsoltsevaA. V.

ул. Студенческая, 7, г. Ижевск 426069, Россия

Studencheskaya str., 7, Izhevsk 426069, Russia

УсольцевВ. П.UsoltsevV. P.

ул. Студенческая, 7, г. Ижевск 426069, Россия

Studencheskaya str., 7, Izhevsk 426069, Russia

ЮранС. И.YuranS. I.

Адрес для переписки:Юран С.И. –Удмуртский государственный аграрный университет,ул. Студенческая, 11, г. Ижевск 426069, Россия,e-mail: yuran-49@yandex.ru

Address for correspondence:Yuran S.I.–Udmurt State Agrarian University,Studencheskaya str., 11, Izhevsk 426069, Russiae-mail: yuran-49@yandex.ru

yuran-49@yandex.ruИжевский государственный технический университет имени М.Т. КалашниковаРоссияKalashnikov Izhevsk State Technical UniversityRussian FederationУдмуртский государственный аграрный университетРоссияUdmurt State Agrarian UniversityRussian Federation202422072024152131141Copyright © Алексеев В.А., Усольцева А.В., Усольцев В.П., Юран С.И., 20242024Алексеев В.А., Усольцева А.В., Усольцев В.П., Юран С.И.Alekseev V.A., Usoltseva A.V., Usoltsev V.P., Yuran S.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://pimi.bntu.by/jour/article/view/873

Проведены экспериментальные исследования поверхности неметаллических материалов с определением параметров шероховатости таких материалов, как кожа, кость, дерево, пластмасса после обработки поверхности материалов лазерным лучом. Для оценки качества поверхностного слоя материалов использованы глубина проникновения лазерного излучения в материал, среднее значение микронеровностей, среднее квадратическое отклонение микронеровностей. Для описания изменений величин микронеровностей использованы графики корреляции параметров микронеровностей и модуля упругости поверхности различных неметаллических материалов. Для описания зависимостей корреляции с представлением в компьютере используются аппроксимирующие полиномы. Предложена регрессионная модель, связывающая свойства материала с величиной микронеровностей. Приведены данные по глубине абляции для древесины, кости, кожи, оргстекла, графики корреляции между величиной микронеровности поверхности и плотностью материалов, между величиной микронеровности поверхности и модулем упругости материалов, коэффициент корреляции между величиной микронеровности поверхности и температурой воспламенения органических материалов. Полученные модели позволяют реализовать предложенный принцип лазерной обработки неметаллических материалов, заключающийся в измерении модуля упругости поверхности материала и на основании полученных измерений управлять режимами лазерной обработки изделий. Предложена установка лазерной обработки поверхности неметаллических материалов с реализацией принципа управления режимами обработки в зависимости от измеренных значений величины модуля упругости поверхности материала. Для измерения модуля упругости материала используется специальный датчик с вдавливанием индентора и компьютерной оценкой полученных измерений с формированием решений по управлению режимами лазерной обработки поверхности материала. Полученные экспериментальные результаты позволили изготовить ряд изделий с обеспечением заданного качества поверхности неметаллических материалов (письменный прибор, изделие-подарок молодоженам). Проведение экспериментов с изменением мощности лазерного излучения по результатам измерения модуля упругости поверхности неметаллических материалов показало эффективность оперативного задания режимов работы лазера с обеспечением качества поверхности неметаллических материалов.

Experimental studies of the surface of non-metallic materials have been carried out to determine the roughness parameters of materials such as leather, bone, wood, plastic after processing the surface of materials with a laser beam. To assess the quality of the surface layer of materials, the depth of penetration of laser radiation into the material, the average value of the micro unevenness, and the mean square deviation of the micro unevenness were used. To describe the changes in the values of the micro unevenness, graphs of the correlation of the parameters of the micro unevenness and the modulus of elasticity of the surface of various non-metallic materials were used. Approximating polynomials are used to describe the correlations with the representation in a computer. A regression model is proposed that relates the properties of the material to the magnitude of the micro unevenness. Data on the depth of ablation for wood, bone, leather, plexiglass are presented, graphs of the correlation between the amount of surface micro unevenness and the density of materials, between the amount of surface micro-roughness and the modulus of elasticity of materials, the correlation coefficient between the amount of surface micro unevenness and the ignition temperature of organic materials. The obtained models make it possible to implement the proposed principle of laser processing of non-metallic materials, which consists in measuring the modulus of elasticity of the surface of the material and, based on the measurements obtained, control the modes of laser processing of products. The installation of laser surface treatment of non-metallic materials with the implementation of the principle of control of processing modes depending on the measured values of the modulus of elasticity of the surface of the material is proposed. To measure the elastic modulus of a material, a special sensor is used with indentation of the indenter and computer evaluation of the measurements obtained with the formation of solutions for controlling the modes of laser surface treatment of the material. The experimental results obtained made it possible to manufacture a number of products to ensure a given surface quality of non-metallic materials (a writing device, a gift for the newlyweds). Conducting experiments with changes in the power of laser radiation based on the results of measuring the modulus of elasticity of the surface of non-metallic materials has shown the effectiveness of operational setting of laser operating modes to ensure the quality of the surface of non-metallic materials.

качество поверхностикорреляциялазерная обработкамикронеровностьмодуль упругостиsurface qualitycorrelationlaser treatmentmicro unevennessmodulus of elasticityReferencesObilor A.F. Micro texturing of polymer surfaces using lasers: a review / A.F. Obilor [et al.] // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2022. – Vol. 120. – Pp. 103–135. DOI: 10.1007/s00170-022-08731-1Obilor AF, Pacella M, Wilson A, Silberschmidt VV. Micro texturing of polymer surfaces using lasers: a review. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology.2022;120:103–135. DOI: 10.1007/s00170-022-08731-1Liu X. Laser Ablation and Micromachining with Ultrashort Laser Pulses / X. Liu, D. Du, G. Mourou // IEEE J. of Quantum Electronics. – 1997. – Vol. 33. - № 10. – Pp. 1706–1716. DOI:10.1109/3.631270Liu X, Du D, Mourou G. Laser Ablation and Micromachining with Ultrashort Laser Pulses. IEEE J. of Quantum Electronics. 1997;33(10):1706–1716. DOI: 10.1109/3.631270Приборостроение – ХХ век / cост. М.С. Шкабардня. – М. : Совершенно секретно, 2004. – 768 с.Shkabardnya MS. Instrument engineering – the twentieth century. Moscow: Top Secret Publ. 2004, 768 p.Соколова M.JI. Материалы в дизайне / M.JI. Соколова. – М.: Издательство МИСИС, 2003. – 168 с.Sokolova ML. Materials in the design. Moscow: MISIS Publ. 2003;168 p.Богомолов В.Г. Исследование влияния лазерной обработки на нивелирование пороков кожевенного сырья / В.Г. Богомолов [и др.] // Кожевеннообувная промышленность. – 2013. – № 2. – С. 34–37.Bogomolov VG, Nekrasova NI, Bykovskaya NN, Danilin DV, Shiganov IN, Bogdanov AV. Investigation of the effect of laser processing on leveling the pores of leather raw materials. Leather and shoe industry. 2013;(2):34-37 (In Russ.).Pfleging W. Laser Micro and Nano Processing of Metals, Ceramics and Polymers / W. Pfleging, R. Kohler, I. Südmeyer, M. Rohde. – Laser-Assisted Fabrication of Materials, Springer, 2013. – Pp. 319–374. DOI: 10.1007/978-3-642-28359-8_8Pfleging W, Kohler R, Südmeyer I, Rohde M. Laser Micro and Nano Processing of Metals, Ceramics and Polymers. Laser-Assisted Fabrication of Materials. Springer Publ. 2013;319-374. DOI: 10.1007/978-3-642-28359-8_8Губанова Л.А. Фотоника поверхности и её основные свойства / Л.А. Губанова. – СПб: Университет ИТМО, 2022. – 68 с.Gubanova LA. Photonics of the surface and its basic properties. St. Petersburg: ITMO University Publ. 2022;68 p.Гибадуллин И.Н. Изображение профиля поверхности как графический критерий оценки шероховатости / И.Н. Гибадуллин, В.А. Валетов // Изв. вузов. Приборостроение. – 2019. – Т. 91. – № 1. – С. 86–92. DOI: 10.17586/0021-3454-2019-62-1-86-92Gibadullin IN, Valetov VA. Surface profile image as a graphical criterion for rough-ness assessment. Izvestiya Vuzov. Instrumentation. 2019;91(1):86-92. (In Russ.). DOI: 10.17586/0021-3454-2019-62-1-86-92Mulko L. Structuring and functionalization of nonmetallic materials using direct laser interference patterning: a review / L. Mulko, M. Soldera, A.F. Fabián Lasagni // Nano-photonics. – 2022. – № 11(2). – Pp. 203–240. DOI: 10.1515/nanoph-2021-0591Mulko L, Soldera M, Fabián Lasagni AF. Structuring and functionalization of non-metallic materials using direct laser interference patterning: a review. Nanophotonics. 2022;11(2):203–240. DOI: 10.1515/nanoph-2021-0591Chang Chih-Wei. Evaluation of surface roughness in laser-assisted machining of aluminum oxide ceramics with Taguchi method / Chih-Wei Chang, ChunPao Kuo // International Journal of Machine Tools and Manufacture. – 2007. – Vol. 47. – Iss. 1. – Pp. 141–147. DOI: 10.1016/j.ijmachtools.2006.02.009Chang Chih-Wei, Kuo Chun-Pao. Evaluation of surface roughness in laserassisted machining of aluminum oxide ceramics with Taguchi method. International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2007;47(1):141147. DOI: 10.1016/j.ijmachtools.2006.02.009Григорьянц А.Г. Технические процессы лазерной обработки / А.Г. Григорьянц, И.Н. Шиганов, А.И. Мисюров. – М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. – 664 с.Grigoryants AG, Shiganov IN, Misyurov AI. Technical processes of laser processing. Moscow: Bauman Moscow State Technical University Publ. 2006;664 p.Вейко В.П. Технологические лазеры и лазерное излучение / В.П. Вейко. – СПб: Университет ИТМО, 2007. – 52 с.Veiko V.P. Technological lasers and laser radiation. St. Petersburg: ITMO University Publ. 2007;52 p.Шахно Е.А. Математические методы описания лазерных технологий / Е.А. Шахно. – СПб: СПбГИТМО (ТУ), 2019. – 77 с.Shakhno EA. Mathematical methods for describing laser technologies. St. Petersburg: SPbGITMO Publ. 2019;77 p.Харанжевский Е.В. Физика лазеров, лазерные технологии и методы математического моделирования лазерного воздействия на вещество / Е.В. Харанжевский, М.Д. Кривилев. – Ижевск: Издательство Удмуртский университет, 2011. – 187 с. 15. Патент № 2801913 РФ. МПК B23K 26/40. Способ лазерной обработки поверхности материалов / В.А. Алексеев, В.П. Усольцев, А.В. Усольцева, С.И. Юран // Заявитель Удмуртский ГАУ. Заявка № 2022113027 от 13.05.2022. Опубл.18.08.2023. Бюл. № 23.Kharanzhevsky EV, Krivilev MD. Laser physics, laser technologies and methods of mathematical modeling of laser action on matter. Izhevsk: Udmurt University Publ. 2011;187 p.Патент 2494038 РФ. МПК B82Y 35/00, G01N 3/40. Способ определения модуля упругости Юнга материала микрои наночастиц / А.В. Вахрушев, А.А. Шушков, С.Н. Зыков // Заявитель Институт механики УрО РАН. Заявка: № 2012110560 от 20.03.2012. Опубл.: 27.09.2013. Бюл. № 27.Alekseev VA, Usoltsev VP, Usoltseva AV, Yuran SI. Method of laser surface treatment of materials. Patent RF, no. 2801913, 2023. (in Russian)Vakhrushev AV, Shushkov AA, Zykov SN. Method for determining the Young's modulus of elasticity of a material of microand nanoparticles. Patent RF no. 2494038, 2013. (in Russian)Vakhrushev AV, Shushkov AA, Zykov SN. Method for determining the Young's modulus of elasticity of a material of microand nanoparticles. Patent RF no. 2494038, 2013. (in Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.