Здесь лазеры применяются для сварки, резки, нанесения рисунка, а также для прокаливания, упрочнения, предочистки, очищения и контроля качества. Безграничные возможности использования лазерных технологий в индустрии переработки пластмасс будут представлены на выставке «K 2007» в Дюссельдорфе, проходящей в этом году с 24 по 31 октября.
В 1917 Альберт Эйнштейн, в то время профессор Берлинского университета, обнаружил, что нормальный источники освещения могут быть усилены с помощью технологии, которую он называл «стимулированным излучением». Однако на протяжении долгого времени открытие будущего нобелевского лауреата оставалось лишь теорией
Прошло полвека, прежде чем первые CO2 лазеры были выпущены на рынок, и стимулированное излучение стало использоваться повсеместно.
В 1960 году американец Теодор Гарольд Маймэн представил первый работающий лазер. Ученый предложил сам термин, являющийся аббревиатурой названия «усиление света стимулированным излучением», которая употребляется и по сей день. В своей работе Маймэн использовал рубиновый лазер с импульсной накачкой увлекательную историю своего изобретения он описывает в книге «Лазерная Одиссея». Маймэн родился в 1928 году и в настоящее время проживает в Ванкувере, западное побережье Канады.
Начало использования лазера
После того, как Теодор Майман успешно применил стимулированное излучение в видимом спектре, события стали развиваться ускоренными темпами. Первые импульсные лазеры на твердом теле вошли в металлообработку в середине 60-х. Тогда лабораторные исследования показали, что лазерные лучи могут с легкостью проникать через бритвенные лезвия. Это было обнаружено случайно, поскольку стальные лезвия изначально служили в качестве экранов для лучей. Так случайное открытие стало основой для научного прорыва, позволив целенаправленно использовать лучи света, стимулированные в активной среде, как инструмент в металлообработке.
Сегодня лазеры являются неотъемлемой частью нашей повседневной жизни. Твердотельные лазеры различной конструкции используются не только для резки, сварки, гибки и сверления материалов, но и в домашних СD и DVD - проигрывателях для передачи данных или в качестве лазерных принтеров, подключенных к ПК. В медицине, а именно, в терапии, лазеры применяются для диагностики, к примеру, измерения кровяного давления и кроветока. В офтальмологии лазерными лучами корректируют зрение при близорукости и дальнозоркости, а также крепят к глазному яблоку оторвавшуюся сетчатку.
В хирургии лазеры используются, в основном, в эндоскопии или в качестве скальпелей. Сфокусированными лучами света лечат варикозное расширение вены и ими же сводят татуировки. С помощью ультра-коротких импульсных лазеров разрушают и удаляют подкожные пигменты.
Но свои огромные возможности лазеры демонстрируют не только в медицине. Эти лучи позволяют производить точные геологические измерения, выявлять тектонические сдвиги и даже прогнозировать цунами. В прокладке туннелей лазеры обеспечивают прямолинейность пути. В супермаркетах - сканируют штрих-коды, определяя стоимость товара. В дорожном движении они используются для отслеживания, как автомобилисты соблюдают ограничения скорости на необходимых участках, а также в лазерных ружьях инспекторов ГАИ.
Лазеры абсолютно необходимы для быстрого изготовления опытных образцов. Они расплавляют материал и участвуют в построении модели. Опытные пресс-формы, созданные с помощью лазерных лучей, могут использоваться, в случае необходимости, в производстве небольших комплектных партий. С помощью лазеров вырезаются пластиковые детали и печатные цилиндры, наносится гравировка и проверяется соответствие готовой продукции критериями качества. Затем, на заключительной стадии процесса, проверяемые детали передаются на хранение посредством безоператорной транспортной системы, опять же управляемой лазером.
Лазер-инструмент
Сегодня лазеры стали практически незаменимы в индустрии переработки пластмасс. Как и в металлоперерабатывающей промышленности, изначально здесь они использовались для резки, часто с комбинации с водоструйным соплом, ранее бывшим главенствующим инструментом. Однако сегодня все чаще лазеры применяются в спаивании пластмасс, хотя нужно все же принимать во внимание существующие ограничения, касающиеся методов испытания и сварки материалов.
Немецкий журнал “Kunststoff Magazin”, посвященный индустрии пластмассах, опубликовал в марте 2004 года репортаж под заголовком «Оставьте это лазерам» о том, как лазеры охватывают все новые ниши полимерной индустрии, в частности, технологический контроль и контроль качества. Статья особо выделяла новую измерительную систему, разработанную компанией Elovis из Карлсруэ, обещающую обеспечить высочайшую точность измерений материалов, которые не поддаются иным методам оценки. При помощи лазерной технологии устройство определяет скорость движения и длину полосок текстиля, шерсти, пластика, бумаги и даже металла. Благодаря точности измерений калибровка материала теряет необходимость.
Небывалые возможности открываются для лазеров в маркировке и нанесении надписей на формованные пластиковые детали разных размеров и изготовленные из разных материалов. Буквы, цифры, логотипы и коды могут наноситься на детали с точностью до одной тысячной миллиметра. Таким образом, становится возможным идентифицировать отдельные детали или полный комплект и отслеживать их в системах внутренней логистики компании. Rofin Sinar Laser GmbH, которая, по ее словам, производит широкий спектр записывающих лазеров и систем маркировки, видит главное преимущество этого метода в гибкости размеров партий, скорости и точности
От рубиновых к диодным лазерам
Эта яркая история успеха началась с рубинового лазера Маймэна, называемого «твердотелым». За ним последовали газовые, а потом и полупроводниковые и диодные лазеры. Основу любого лазера составляет активная среда. Она поглощает энергию, обычно энергию света, выделяемую устройством, известным как источник светового излучения накачки. Атомы активной среды выделяют эту энергию в форме связанных световых лучей, плотного светового пучка из волн одинаковых длин и эластичного типа. Затем свет несколько раз отражается между двумя зеркалами, прежде чем появиться из частично проницаемого зеркала в виде лазерного луча, который может быть использован в различных формах.
В лазерах на углекислом газу, до сих пор широко использующихся сегодня, активная среда формируется тлеющим зарядом в смеси гелия, азота и угля. Столь же популярные лазеры на ниодиуме и алюмоиттриевого гранате имеют иное строение: активная среда этих первых твердотелых лазеров кристаллов включает активированный ниодиумом кристалл, состоящий из химических элементов иттрия, алюминия и граната. В конце 1980х гг. использование технологии полупроводников наконец позволило вывести на рынок высокоактивные диодные лазеры, каждая новая разработка которых имела более длительный срок эксплуатации. Вырабатывая относительно небольшую мощность, они тем не менее демонстрируют отличные рабочие характеристики в СD и DVD-накопителях и используются для соединения пластика лазерной сваркой.
Еще в начале своего долгого и успешного пути сварка пластиковых деталей с помощью сфокусированных лазерных лучей демонстрировала свою эффективность в связывании полимеров. Один из пионеров в этой области была компания Jenoptik из Турингии, восточная Германия. Компания одной из первых занялась исследованием и разработкой технологии лазерной сварки, которая с тех пор в некоторой мере стала альтернативой механизмам термального и механического соединения, приклепывания и склеивания. Однако она имеет существенный недостаток - по меньшей мере, один из агентов соединения должен обладать способностью поглощать лазерные лучи с их специфической длиной волны. Однако метод имеет и многочисленные преимущества. Подвод энергии осуществляется бесконтактным способом и без применения силы. Хрупкие и чувствительные к механическим воздействиям детали могут легко быть соединены сваркой. Затраты тепла высчитываются с большой точностью, и термически, и геометрически, во время самого сварочного процесса не происходит трения и выброса расплава из сварной детали.
Мне лучей получше, пожалуйста!
Компания Leister, швейцарский производитель сварочного оборудования для пластмасс, видит две главных тенденции в области лазерной сварки. Исследование полимеров идет в направлении модификации материалов и разработки специальных добавок, смешиваемых с сырьем. Таким образом, пластмассы могут быть соединены лазерными лучами с менее строгими требованиями к их конфигурации. С другой стороны, производители оборудования и переработчики, использующие вышеописанную технологию, работают в направлении оптимизации существующих методов сшивания и разработки совершенно новых.
Компания Optotool из Хейльбронна полагает, что причиной, по которой технология лазерной сварки пока еще не охватила рынок полностью, является низкое качество лучей использующихся лазерных модулей. Компания старается устранить этот недостаток связанным волокнами диодным лазером. Модульная конструкция и высокое качество новой разработки Optotool, как утверждается, позволяет монтировать ее в так называемые «гальваносканеры». В такой комбинации новые модули делают возможным практически одновременный процесс спаивания. Достигаемое в результате увеличение продолжительности цикла резко повышает производительность.
Это заключение подтверждает LPKF Laser und Electronics AG, чье подразделение сварки пластмасс работает на лазерных модулях Optotool. LPKF быстро оценила достоинства нового технологического метода как рентабельной и, что самое главное, экономичной альтернативы ультразвуковой сварке и склеиванию. Лазерная сварка проходит без образования отходов, расход энергии легко контролируем, и как утверждает компания, механическая нагрузка на детали очень небольшая. Лазерная сварка особенно эффективна в работе со светочувствительными материалами, как, например, электронными компонентами светочувствительных деталей медицинского оборудования, и существенно снижает риск поломки.
Структурирование и перфорация
На каком еще этапе переработки пластиков лазеры могут проявить свои возможности? Какие области признают неоспоримые преимущества этой технологии? Один из примеров - микротехнологии. По мнению Арнольда Гильнера, с 1994 года руководящего департаментом лазерных технологий Fraunhofer Institute в Аахене, структурирование и перфорация пластмасс зарекомендовали себя как альтернативы традиционному процессу, особенно в тех устройствах, где воздействие на светочувствительные элементы должно быть минимизировано
В статье, опубликованной в «Kunststoffe» в июне 2005 года, Гильнер пишет: «Использование новых источников света и материалов, пригодных для применения технологии, может сдвинуть процесс обработки в область нанометров». Другой пример: Jenoptik поставляет обрабатывающее оборудование под названием «Votan A», использующее возможности лазера в двух направлениях: прибор вырезает точки разрыва конструкции для пассажирских подушек безопасности на приборных панелях автомобилей и в то же время формирует профиль боковой поверхности и контуров законченных деталей. Лазерный луч прожигает крошечные отверстия в задней поверхности приборных панелей, причем отверстия располагаются так, чтобы сформировать точки разрыва конструкции в пластмассе, в то время как видимая передняя часть остается неповрежденной. Jenoptik подчеркивает, что оба лазерных модуля, интегрированных в производственное оборудование, работают независимо. Однако в целях экономии затрат и для небольших партий изделий также может быть использован стандартный CO2 лазерный источник.
Компании-переработчики пластмасс также могут использовать лазерную технологию для очистки пресс-форм и матриц клейких остатков, а также для подготовки поверхности различных материалов для нанесения рисунка или сварки. Здесь опять же преимуществами лазерных процессов остается безконтактная локальная обработка деталей, возможность интегрировать требующиеся операции в существующие производственные процессы и экологичность. Именно эта комбинация показателей позволит лазерам продолжить свою историю успеха и доказать свою незаменимость в различных процессах обработки пластмасс. Посетители «K 2007» смогут еще раз удостовериться в этом сами в конце октября этого года.
Контактная информация:
Пресс-служба K 2007
Ева Ругенштейн
+49 (0)211/4560-240
+49 (0)211/4560-8548E-mail: rugensteine@messe-duesseldorf.de
|