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. https://doi.org/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. https://doi.org/10.1109/3.631270

3. Priborostroenie - KhKh vek / cost. M.S. Shkabardnya. - M. : Sovershenno sekretno, 2004. - 768 s.

4. Sokolova M.JI. Materialy v dizaine / M.JI. Sokolova. - M.: Izdatel'stvo MISIS, 2003. - 168 s.

5. Bogomolov V.G. Issledovanie vliyaniya lazernoi obrabotki na nivelirovanie porokov kozhevennogo syr'ya / V.G. Bogomolov [i dr.] // Kozhevennoobuvnaya promyshlennost'. - 2013. - № 2. - S. 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. https://doi.org/10.1007/978-3-642-28359-8_8

7. Gubanova L.A. Fotonika poverkhnosti i ee osnovnye svoistva / L.A. Gubanova. - SPb: Universitet ITMO, 2022. - 68 s.

8. Gibadullin I.N. Izobrazhenie profilya poverkhnosti kak graficheskii kriterii otsenki sherokhovatosti / I.N. Gibadullin, V.A. Valetov // Izv. vuzov. Priborostroenie. - 2019. - T. 91. - № 1. - S. 86-92. https://doi.org/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. https://doi.org/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. https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2006.02.009

11. Grigor'yants A.G. Tekhnicheskie protsessy lazernoi obrabotki / A.G. Grigor'yants, I.N. Shiganov, A.I. Misyurov. - M.: Izdatel'stvo MGTU im. N.E. Baumana, 2006. - 664 s.

12. Veiko V.P. Tekhnologicheskie lazery i lazernoe izluchenie / V.P. Veiko. - SPb: Universitet ITMO, 2007. - 52 s.

13. Shakhno E.A. Matematicheskie metody opisaniya lazernykh tekhnologii / E.A. Shakhno. - SPb: SPbGITMO (TU), 2019. - 77 s.

14. Kharanzhevskii E.V. Fizika lazerov, lazernye tekhnologii i metody matematicheskogo modelirovaniya lazernogo vozdeistviya na veshchestvo / E.V. Kharanzhevskii, M.D. Krivilev. - Izhevsk: Izdatel'stvo Udmurtskii universitet, 2011. - 187 s. 15. Patent № 2801913 RF. MPK B23K 26/40. Sposob lazernoi obrabotki poverkhnosti materialov / V.A. Alekseev, V.P. Usol'tsev, A.V. Usol'tseva, S.I. Yuran // Zayavitel' Udmurtskii GAU. Zayavka № 2022113027 ot 13.05.2022. Opubl.18.08.2023. Byul. № 23.

15. Patent 2494038 RF. MPK B82Y 35/00, G01N 3/40. Sposob opredeleniya modulya uprugosti Yunga materiala mikroi nanochastits / A.V. Vakhrushev, A.A. Shushkov, S.N. Zykov // Zayavitel' Institut mekhaniki UrO RAN. Zayavka: № 2012110560 ot 20.03.2012. Opubl.: 27.09.2013. Byul. № 27.