Оценка шероховатости поверхности неметаллических материалов при лазерной обработке
https://doi.org/10.21122/2220-9506-2024-15-2-131-141
Аннотация
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.
Ключевые слова
Об авторах
В. А. АлексеевРоссия
ул. Студенческая, 7, г. Ижевск 426069, Россия
А. В. Усольцева
Россия
ул. Студенческая, 7, г. Ижевск 426069, Россия
В. П. Усольцев
Россия
ул. Студенческая, 7, г. Ижевск 426069, Россия
С. И. Юран
Россия
Адрес для переписки:
Юран С.И. –
Удмуртский государственный аграрный университет,
ул. Студенческая, 11, г. Ижевск 426069, Россия,
e-mail: yuran-49@yandex.ru
Список литературы
1. Obilor 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/s00170-022-08731-1
2. Liu 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:10.1109/3.631270
3. Приборостроение – ХХ век / cост. М.С. Шкабардня. – М. : Совершенно секретно, 2004. – 768 с.
4. Соколова M.JI. Материалы в дизайне / M.JI. Соколова. – М.: Издательство МИСИС, 2003. – 168 с.
5. Богомолов В.Г. Исследование влияния лазерной обработки на нивелирование пороков кожевенного сырья / В.Г. Богомолов [и др.] // Кожевеннообувная промышленность. – 2013. – № 2. – С. 34–37.
6. 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_8
7. Губанова Л.А. Фотоника поверхности и её основные свойства / Л.А. Губанова. – СПб: Университет ИТМО, 2022. – 68 с.
8. 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: 10.17586/0021-3454-2019-62-1-86-92
9. Mulko 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-2021-0591
10. Chang 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.2006.02.009
11. Григорьянц 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.
12. Вейко В.П. Технологические лазеры и лазерное излучение / В.П. Вейко. – СПб: Университет ИТМО, 2007. – 52 с.
13. Шахно Е.А. Математические методы описания лазерных технологий / Е.А. Шахно. – СПб: СПбГИТМО (ТУ), 2019. – 77 с.
14. 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.
15. 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.
Рецензия
Для цитирования:
Алексеев В.А., Усольцева А.В., Усольцев В.П., Юран С.И. Оценка шероховатости поверхности неметаллических материалов при лазерной обработке. Приборы и методы измерений. 2024;15(2):131-141. https://doi.org/10.21122/2220-9506-2024-15-2-131-141
For citation:
Alekseev V.A., Usoltseva A.V., Usoltsev V.P., Yuran S.I. Assessment of Surface Roughness of Non-Metallic Materials during Laser Processing. Devices and Methods of Measurements. 2024;15(2):131-141. (In Russ.) https://doi.org/10.21122/2220-9506-2024-15-2-131-141