2 nd Workshop on Foresight of surface properties formation leading technologies of engineering materials and biomaterials in Białka Tatrzańska, Poland 29 th -30 th November 2009 1 Panel nt. Procesy wytwarzania zdeterminowane stanem wiedzy i możliwościami produkcyjnymi parku maszynowego 2.1.M.01: Technologie laserowe w inżynierii powierzchni M. Bonek Politechnika Śląska Technologie laserowej obróbki powierzchni: Technologie laserowej obróbki cieplnej Przetapianie laserowe Stopowanie/wtapianie laserowe Napawanie laserowe Laserowe metody Rapid Prototyping Znakowanie laserowe Ablacja laserowa Cięcie laserowe Technologie laserowe w medycynie
Technologie inżynierii warstw powierzchniowych Technologie starej generacji Technologie nowej generacji Realizujące wyłącznie zadania inż. warstw powierzchniowych Realizujące częściowo zadania inż. warstw powierzchniowych Realizujące wyłącznie zadania inż. warstw powierzchniowych Realizujące częściowo zadania inż. warstw powierzchniowych Emalierstwo Obróbka cieplna Obróbka implantacyjna Obróbka detonacyjna Galwanotechnika Obróbka plastyczna Obróbka jarzeniowa Obróbka elektoiskrowa Lakiernictwo Odlewnictwo Techniki CVD i PVD Obróbka elektronowa Metalizacja zanurzeniowa I natryskowa Spawalnictwo Obróbka laserowa Obróbka skrawaniem Obróbka nagniataniem Zestawienie najważniejszych własności wybranych warstw wierzchnich
Zależności pomiędzy parametrami obróbki laserowej Moc lasera Wielkość plamki Prędkość skanowania Gęstość mocy Czas oddziaływania Energia oddziaływania 18% 8% 9% 29% 11% 4% 21% Obróbka materiałów Medycyna Techniki pomiarowe Badania naukowe Techniki informacyjne Techniki komunikacyjne Elektronika Techniki laserowe na rynku światowym w 2008 roku
STAŁE LASERY - krystaliczne (rubinowy) - krystaliczne na centrach barwnych - szklane (neodymowe) - diodowe CIECZOWE - barwnikowe - chemiczne GAZOWE - atomowe - jonowe - na parach miedzi - molekularne (CO 2) - ekscimerowe INNE - na elektronach swobodnych FEL ( Free Electron Laser) - rentgenowskie i promieniowania gamma Wśród metod pompowania możemy wyróżnić pompowanie: optyczne wykorzystujące promieniowanie świetlne, elektryczne wykorzystujące zjawisko wyładowań elektrycznych w gazach, bombardowania strumieniem elektronów, przewodzenia prądu w półprzewodnikach.
Zasada działania Układ pompujący dostarcza energię Ośrodka czynnego następuje kwantowe wzmocnienie fotonów Układ optyczny wiązka światła Stan wzbudzenia ośrodka czynnego lasera można uzyskać przez: napromieniowanie ośrodka lampą błyskową, łukową lub innym laserem -głównie w układach, w których ośrodkiem aktywnym jest ciało stałe: szkło lub kryształ, przepływ prądu przez złącze typu p-n w laserach półprzewodnikowych, przepływ prądu przez gaz; na skutek wytworzenia w nim wyładowania elektrycznego (zderzenia elektron atom, atom wzbudzony atom, atom wzbudzony cząsteczka), wykorzystanie energii wiązań chemicznych -w ośrodkach czynnych gazowych.
Długość fali różnych rodzajów laserów a) b) y x 00 10 20 30 00 01 10 11 20 11 21 33 04 01 02 03 04 c) Gęstość mocy TE M 00 TEM01 TEM 10 TEM11 Promień Rodzaje modów poprzecznych lasera o symetrii prostokątnej (a) i osiowej (b), oraz przykłady rozkładów energii w ognisku wiązki laserowej (c)
Komputer Monitor 8 Laser 7 6 1 2 3 4 5 1-Układ kształtowania i ogniskowania 2 -układ obserwacji wizualnej 3 -układ przemieszczania wiązki 4 -układ podawania 5 -układ pomiaru parametrów 6 -stolik wraz z elementem obrabianym 7 -układ pozycjonowania 8 -miernik mocy lub energii Zaletą współczesnych laserów jest to, że: umożliwiają uzyskanie prostokątnego, kwadratowego, liniowego lub kołowego kształtu ogniska wiązki laserowej, charakteryzują się kontrolowanym rozkładem energii w miejscu ogniskowania przy gęstości mocy do 105 W/cm 2, są stabilne, są łatwe w sterowaniu, charakteryzują się wysokim współczynnikiem absorpcji promieniowania, mają niewielkie gabaryty, nie wymagają prowadzenia wiązki laserowej przez złożone układy optyczne powodujące straty energii od 10 do 30 %,
10 8 10 7 Cięcie i spawanie 2 Gęstość wiązki, W/cm 10 6 Napawanie Przetapianie 10 5 10 4 Stopowanie Hart ow anie 10 3 10-4 10-3 10-2 10-1 10 0 10 1 Czas oddziaływania wiązki, s Porównanie gęstości mocy wiązki lasera i czasu oddziaływania wiązki na materiał w różnych procesach technologicznych Laserowa obróbka cieplna a) b) Τ SOLIDUS Τ SOLIDUS A 3 A 3 A A+F A, A 1 3 A A+F A, A 1 3 Temperatura A+F A+F+P A+B F+P Temperatura A+F A+F+P A+B F+P M s M f A+M M s M f A+M Logarytm czasu τ Logarytm czasu τ Schemat hartowania a) konwencjonalnego, b) laserowego
Powierzchniowa gęstość mocy potrzebna do odparowania materiału 5 2 (dla stali 10 W/cm ) Powierzchniowa gęstość mocy potrzebna do przetopienia 4 2 (dla stali 10 W/cm ) W trakcie procesu 1 1 1 3 2 2 Przepływ ciepła Przepływ ciepła Przepływ ciepła Krater Po zakończeniu procesu Strefa zaharto wana i przetopiona Strefa przetopion a i zahartow ana Strefa nagrzana do temperatur A3 - solidus i zahartowana Strefa nagrzana poniżej temp. A 3 Strefa nagrzana do temperatur A3 - solidus i zahartowana Strefa nagrzana poniżej temp. A 3 Strefa nagrzana do temperatur A3 - solidus i zahartowana St refa nagrzana po niżej temp. A 3 1 Wiązka laserowa 2 Materiał przetopiony 3 Lokalne nagrzanie powierzchni Przetapianie i stopowanie/wtapianie laserowe Wzbogacanie warstwy wierzchniej przez: stopowanie/wtapianie; zs grubość warstwy stopowanej, zp grubość warstwy stopującej
Wiązka lasera a) b) Wiązka lasera 0 Z Y 0 Z X Kierunek ruchu próbki Kierunek ruchu próbki Schemat ruchów konwekcyjnych podczas laserowego przetapiania w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku przemieszczania się materiału Materiałami wzbogacanymi są głównie: stale niskowęglowe, stale niskostopowe, stale narzędziowe, żeliwa, metale nieżelazne np. Ti, Al, Cu. Podział najczęściej stosowanych materiałów stopujących jest następujący: niemetale C, N 2, Si, B w procesach laserowego nawęglania, azotowania, krzemowania i borowania, metale Cr, Co, Mn, Nb, Ni, Mo, W, Ta, V, kompozycje pierwiastków B-C, B-Si, stopy metali Co-W, CrTi, FeCr, C-Cr-Mn, Al-Cr-C-W, węgliki TiC, NbC, VC, TaC, WC, tlenki Cr 2 O 3, TiO 2, B 2 O 3.
Schemat napawania laserem: a) proszkowego dwuskładnikowego; b) drutowego; 1) wiązka laserowa, 2) ścieżka laserowa - materiał natopiony, 3) zasobniki ze składnikami proszku natapianego, 4) drut natapiany, 5) źródło prądu grzania oporowego bezpośredniego, 6) podłoże Napawanie laserowe Wiązka laserowa Proszek Materiał Warstwa natopiona B Jeziorko H G Strefa przejściowa S Natopiona powłoka S - szerokość warstwy H - grubość warstwy G - kąt przyrostu elementu B - kąt boczny warstwy
Zastosowanie technologii Rapid Prototyping Techniki RP, dzięki którym na podstawie trójwymiarowego, wirtualnego modelu CAD-3D możliwe jest wykonanie fizycznych modeli, części wzorcowych i prototypów, znajdują coraz szersze zastosowanie w technikach rozwoju produktu i przyczyniają się do szybkiego wytwarzania prototypów, jak i całego produktu oraz przygotowanie jego procesu wytwarzania. Obecnie istnieje wiele technik Rapid Prototyping, są one rozwijane oraz powstają ich nowe odmiany. Do najpopularniejszych i najpowszechniejszych technik należą: stereolitografia (Stereolithography SL, SLA), selektywne laserowe spiekanie proszku (Selective Laser Sintering - SLS), Laser Engineered Net Shaping (LENS). Najpopularniejszymi metodami są: SLA ok. 70% rynku Rapid Prototyping
Zasada działania urządzenia stereolitograficznego (SLA) NATIONAL COHESIO N STRATEGY 2009 2012 Druk za pomocą selektywnego spiekania laserowego (SLS) NATIONAL COHESIO N STRATEGY 2009 2012
Schematyczne przedstawienie technologii LENS Znakowanie laserowe Laserowe systemy znakujące, wypierają inne, stosowane dotychczas metody nanoszenia znaków, różnego rodzaju grafik i kodów. Doskonale znane konwencjonalne rozwiązania, wykorzystujące atrament jako medium, nie spełniają już wymagań stawianych obecnie systemom znakującym oraz kodującym. Atrament, który brudzi zastąpiono skupiona wiązką laserową, co spowodowało rewolucję w procesach nanoszenia obrazów i informacji na powierzchnie produktów i opakowań
Ablacja laserowa Ablacja jest to proces, w którym wysokoenergetyczne kwanty promieniowania lasera wywołują obniżenie energii wiązań pomiędzy cząstkami, co umożliwia zdejmowanie warstw atomowych jedna po drugiej Do podstawowych zastosowań zjawiska ablacji należy zaliczyć: odparowanie materiału z tarczy i nanoszenie jego par na materiał podłoża, usuwanie zbędnego materiału, w celu oczyszczenia zabrudzonej powierzchni (proces stosowany często przy renowacji zabytków i dzieł sztuki); proces może być prowadzony w próżni, atmosferze powietrza oraz w obecności gazów obojętnych, usuwanie części materiału drogą wybuchowego odparowania i umacnianie pozostałego materiału z wykorzystaniem zjawiska fali uderzeniowej. Ablacja laserowa Schemat ideowy urządzenia do ablacji laserowej
Obróbka laserowa polikrystalicznego krzemu Cięcie wiązką lasera W procesach cięcia różnych materiałów systemy laserowe oferują ogromne możliwości dzięki niektórym cechom niedostępnym w metodach konwencjonalnych: Uzyskanie bardzo małych szerokości szczelin cięcia, posiadających równe krawędzie, Zminimalizowanie strefy wpływu ciepła, Zminimalizowanie odkształceń termicznych materiału powstających podczas procesu. Brak mechanicznego kontaktu wiązki z powierzchnią przecinanego materiału pozwala na: Wyeliminowanie odkształceń mechanicznych powstających podczas procesu, Cięcie materiałów wykazujących się dużą twardością bez obawy o ich pękanie. Brak konieczności wymiany elementów roboczych stykających się z materiałem, jak w przypadku cięcia mechanicznego.
Zastosowanie lasera w medycynie 1 laser Nd:YAG (impulsy pikosekundy-ps); 2 laser Nd:YAG (impulsy nanosekundy-ns); 3 impulsowy laser barwnikowy; 4 lasery excimerowe; 5 laser Nd:YAG (impulsy milisekundyms); 6 - laser argonowy; 7 laser kryptonowy; 8 laser CO2; 9 laser argonowy, wydłużony czas działania; 10 laser Nd:YAG, praca ciągła; 11- -laser He-Ne; 12 lasery półprzewodnikowe; 13 laser barwnikowy, praca ciągła Zastosowanie lasera w medycynie Ze względu na zastosowania wynikające z charakteru oddziaływania na tkankę lasery stosowane w medycznych urządzeniach możemy podzielić na: lasery wysokoenergetyczne (chirurgiczne) hard lasers; lasery niskoenergetyczne (biostymulacyjne) soft lasers. Z rozwojem technik laserowych, nowymi wynikami badań wpływu różnego typu promieniowania laserów na tkanki ich zastosowanie w dziedzinach medycznych stale się poszerza. We współczesnej medycynie znalazło zastosowanie, kilkanaście różnego rodzaju urządzeń laserowych. Lasery stosowane są w leczeniu bardzo różnorodnych schorzeń, co umożliwia właśnie olbrzymia różnorodność tego sprzętu i różnorodność jego oddziaływań fizycznych.
BAZOWE Cięcie laserowe KLUCZOWE Technologie laserowej obróbki cieplnej np. hartowanie, wyżarzanie Przetapianie laserowe Stopowanie laserowe Napawanie laserowe Znakowanie laserowe Technologie laserowe w medycynie EKSPERYMENTALNE Laserowe metody Rapid Prototyping EMBRIONALNE Ablacja laserowa Zalety technologii laserowych w inżynierii powierzchni: wysoka odporność na zużycie ślizgowe, ścierne i erozyjne warstwy wierzchniej, wzrost wytrzymałości statycznej i dynamicznej (zmęczeniowej), wysoka odporności na utlenianie i inne rodzaje korozji, w tym przy wysokich temperaturach i w środowiskach o różnej agresywności, małego zużycia drogich pierwiastków stopowych (wzbogacenie tylko WW przy braku zmiany składu rdzenia), możliwość wytwarzania nowych materiałów zawierających fazy metastabilne i przesycone roztwory stałe, uzyskanie drobnokrystalicznej struktury, pozwala otrzymywać warstwy stopowane o grubości od 0,03 do 3 mm, możliwość jednokrotnej lub wielokrotnej obróbki tej samej powierzchni, umożliwia uzyskiwanie wymiarów obrabianych przedmiotów bliskich wymiarom docelowym, można łatwo automatyzować, możliwość użycia jednego lasera do wielu procesów technologicznych, łatwość światłowodowego lub odbiciowego prowadzenia wiązki w dowolny obszar obrabianego materiału, jest to technologia ekologiczna.
Wady technologii laserowych w inżynierii powierzchni: wzrost chropowatości obrabianych powierzchni wynikający z krystalizacji pod wpływem przemieszczającej się wiązki i oddziaływania gazów osłonowych, możliwość powstawania naprężeń wewnętrznych i pęknięć w warstwie wierzchniej spowodowanych szybką kierunkową krystalizacją, tworzenie struktury dendrytycznej powodującej tworzenie się siatki pęknięć w trakcie eksploatacji, różnorodny rozkład energii wiązki związany z typem stosowanego lasera, zmienne warunki absorpcji wiązki laserowej w stanie ciekłym i stałym, konieczność przygotowania powierzchni do obróbki (matowanie powierzchni, stosowanie powłok o dużej absorpcji), trudności ustalenia wpływu nakładania się obszarów nagrzanych na przemiany w warstwie wierzchniej przy technologii wielokrotnego skanowania wiązką, konieczność wstępnego nagrzewania materiału obrabianego przy stopach ze skłonnością do pękania, przy opracowywaniu nowych warstw wierzchnich konieczność przeprowadzania eksperymentów technologicznych potwierdzonych badaniami strukturalnymi i próbami eksploatacyjnymi.