Оценка шероховатости поверхности неметаллических материалов при лазерной обработке

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.

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.