СЕМИНАРСКИ РАД

ОБРАДА ЛАСЕРОМ

1. Уводна разматрања......................................................................................................1

2. Суштина, карактеристике и производне операције НПО........................................2

2.1. ЕCМ – Елекрохемијска обрада................................................................................32.2. ЕDМ - Eлектроерозионa обрадa..........................................................................42.3. ЕUS – Ултразвучна обрада.......................................................................................72.4. LBМ – Обрада ласером............................................................................................82.5. PЈМ – Обрада плазмом......................................................................................102.6. CМ – Хемијска обрада............................................................................................112.7. WЈМ – Обрада воденим млазом............................................................................122.8. АЈМ – Обрада абразивним млазом........................................................................132.9. Остали НПО обраде................................................................................................13

3. Анализа процеса обраде ласером.............................................................................14

4. Технолошки поступци...................................................................................................16

5. Опрема за обраду...........................................................................................................19

6. Примери примене...........................................................................................................23

6.1. Примери примене ласера при обради материјала................................................257. Закључци.........................................................................................................................29

ПРИЛОГ..............................................................................................................................30

ЛИТЕРАТУРА....................................................................................................................32

1. Уводна разматрања

Технички и технолошки прогрес и нагли развој низа различитих техника, као што су авионска, нуклеарна, рачунарска и др. довео је до развоја производње и примене нових материјала при производњи. Тако су настали материјали са добрим механичким и триболошким карактеристикама, велике затезне чврстоће и тврдоће, високе отпорности на високим и ниским температурама, као и материјали знатно веће отпорности на хабање и сл.

Упоредо са развојем, производњом и применом нових материјала, морала се развијати и технологија њихове прераде, јер, обрада дотадашњим, конвенционалним поступцима обраде, обрада материјала је била веома отежана, а у неким случајевима и немогућа. Методе обраде материјала се из тог разлога усавршавају, и уводе се нови, прогресивни поступци обраде, који доприносе већој продуктивности и економичности. То су неконвенционални поступци обраде са или без отклањања вишка материјала.

Једна од неконвенционалних метода обраде је обрада ласером. Реч ЛАСЕР је настала као скраћеница од речи „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“ која значи појачање светлости преко стимулисане емисије зрачења. Он је за извор светлости код којег се за разлику од конвенционалних извора светлости, светлост генерише механизмом стимулисане емисије.

Иако на први поглед физика ласера звучи јако компликовано, развојем технологије ласери нас данас у великом броју окружују у нашем свакодневном животу.

Претекавши неколико изврсних експерименталних група, први ласер направио је 1960. gодине Теодор Х. Маиман. Његов ласер је емитовао светлост таласне дужине 694 ηм у пулсном режиму, а ласерску емисију постигао је стимулисаном емисијом из рубинског кристала побуђеног светлосном лампом.

Након тога, ласери почињу на велико да се производе у експерименталним лабораторијима широм света, а коначно развојем технологије данас имамо праву ласерску револуцију.

Ласерска технологија нашла је примену и у обради материјала. С обзиром на циљ, овај рад се бави обрадом материјала једним од неконвенционалних поступака обраде материјала, обраду ласером. Рад је теоријско-дескриптивног карактера. У раду је коришћена техника анализе садржаја из неконвенционалних поступака обраде материјала, с посебним освртом на обраду материјала ласером.

У уводном делу рада дат је значај напретку технике и технологије и паралелном напретку технологије за обраду материјала, а такође је дат кратак преглед настанка ласера и његове примене. Други део рада се бави суштином, карактеристикама и производним операцијама неконвенционалних поступака обраде, при чему је описана: електрохемијска обрада, електроерозиона обрада, ултразвучна обрада, обрада електронским снопом, обрада ласером, обрада плазмом, хемијска обрада, обрада воденим млазом и обрада абразивним млазом. У даљим деловима рада је описана и приказана анализа процеса обраде ласером, технолошки поступци, опрема за обраду и примери примене ласера, да би се извели закључци проистекли из рада.

1

2. Суштина, карактеристике и производне операције НПО

Неконвенционалне методе обраде (НПО) дефинисане су као група процеса који одстрањују вишак материјала разноврсним техникама које укључују механичку, термалну, светлосну, електричну, магнетну, нуклеарну или хемијску енергију или комбинацију ових енергија, али не користе оштре резне алате који се користе код конвенционалних (традиционалних) машинских обрада.

Неконвенционалне методе обраде се примењују тамо где традиционалне методе нису могуће, или су отежане, не задовољавају услове прераде или нису економичне.

Развијено је пар специјалних метода како би се изашло у сусрет посебно захтевним условима машинске обраде. Када се ове методе правилно примене оне пружају многе предности у односу на традиционалне методе.

Најчешће се неконвенцоионални поступци разврставају према врсти енергије и типу уклањања вишка материјалаи то на поступке (Недић, Лазић 2007:165):

- ECМ – електрохемијске обраде,- ЕDМ – електроерозионе обраде,- ЕUS – ултразвучне обраде,- ЕBМ – обраде електронским снопом,- LBМ – обраде ласером,- PЈМ – обраде плазмом,- CМ – хемијске обраде,- WЈМ – обраде воденим млазом,- АЈМ – обраде абразивним млазом,- анодномеханичке обраде,- обраде у електромагнетном пољу,- електрохидрауличне обраде,- обраде експлозијом,- електромеханичке обраде,- комбиновани поступци обраде и сл.

Основне карактеристике појединих поступака обраде дате су у табели 1.

2

(Преузето са: http://scindeks-clanci.ceon.rs/data/pdf/0354-6829/2007/0354-68290702075R.pdf)

2.1. ЕCМ – Елекрохемијска обрада

Елекрохемијска обрада материјала (eng. Еlectrochemical Маchining – ECM), функционише на принципу проласка једносмерне струје кроз електрично коло између електрода потопљених у електролит. Приликом проласком једносмерне струје на аноди (предмету обраде) долази до анодног растварања метала и његовог преласка у електролит. Метал се отклања из зоне обраде путем интензивног кретања електролита, а предмет обраде поприма облик алата, односно катоде.

Процес обраде (сликa 2.1.1) састоји се од локалног анодног растварања при проласку једносмерне струје високе густине кроз електролит (водени раствори киселина, база и соли, најчешће натријум хлорида) који циркулише. До измене конфигурације зазора између електрода (0.05÷1mm), прерасподеле густине електричне струје, измене хидродинамичких и других параметара процеса долази услед анодног растварања површинских слојева предмета обраде. Интензивним кретањем електролита обезбеђује се одношење продуката анодног растварања из зоне обраде и копирање профила катоде на површини аноде.

Овај процес машинске обраде се претежно користи за израду делова сложене конфигурације и мале крутости, као и за обраду површина које су неприступачне за традиционалне алате и за висококвалитетне материјале који су склони образовању пукотина (силицијум, германијум, берилијум и сл.), као и реализацију других производних операција.

3

Слика 2.1.1. Шематски приказ процеса ECM методе1

Предности ове методе су што:- Компоненте не подлежу термалном као ни механичком напрезању;- Не долази до хабања алата током рада;- Ломљиви делови могу се лако обрађивати дужно;- Лако се врши израда комплексних машинских делова посебно у ваздушно-

космичкој индустрији;- Овом методом се могу производити дубоки усеци и рупе;- Може се постићи висок степен површинске глаткости.

Ова метода има и својих ограничења, јер није погодна за израду оштрих четвртастих облика услед тенденције електролита да еродирају оштре ивице, може се применити на већини метала, али је опрема веома скупа, те се примењује само за посебно специјализоване апликације. Такође, је метода ограничена на електропроводиве материјале. Захтева се посебна опрема, те се због трошкова метода највише користи у авио индустрији.

2.2. ЕDМ - Eлектроерозионa обрадa

Електроерозиона обрада (eng. Electric Discharge Machining – EDM) је поступак при коме се користе термоелектрични процеси за еродирање непожељног вишка мареријала из обратка. Тај поступак се обавља серијом електричних пражњења, односно стварањем варница између радног предмета и алата (слика 2.2.1.) [Слика преузета са: http://www.scribd.com/doc/53652526/ Nekonvencionalni-postupci-obrade, Миликић, стр. 60]. Они се међусобно не додирују, а између њих је зазор који је испуњен електро не проводљивом течношћу, диелектрикумом. Зато се ова обрада обавља у затвореној посуди. Обрадак и алат су кабловима прикључени на извор једносмерне струје. На једном од тих проводника налази се прекидач. Ако је прекидач затворен, између алата и обратка се јавља електрични напон. У почетку не тече електрична струја, пошто су обрадак и алат изоловани диелектрикумом. Уколико се, међутим, растојање између њих постепено смањује, онда ће при неком

1 Слика преузета са: Недић, Б. и Лазић, М. (2007), Производне технологије, Обрада метала резањем, предавања, Машински факултет Крагујевац, Крагујевац, стр. 165.

4

малом растојању доћи до пробоја електричне струје кроз диелектрикум и појаве искре. Ово растојање се назива критичним и креће се у границама 0,005÷0,5 mm. Тако отпочиње процес електричног пражњења кроз уски канал између радног предмета и алата у коме долази до претварања електричне енергије у топлоту и до интензивног загревања површине радног предмета и алата. Када се помоћу прекидача прекине ток струје, нестаје веома брзо и канал за пражњење. Долази до наглог хлађења растопљеног метала и до његовог експлозивног избацивања из површине обратка и алата. Овим се у подручју канала за пражњење образује једно мало удубљење звано кратер. Поступак се понавља.

Слика 2.2.1. Основни поступак електроерозивне обраде

Електроерозионим поступцима обраде је могуће реализовати велики број производних операција коришћењем профилисаног или непрофилисаног алата у виду пуне или жичане електроде (слика 2.2.2.) (Недић, 166)

Слика 2.2.2. Обрада жичаном електродом

5

Отуда се ЕДМ поступци обраде деле на:

♦ ЕДМ поступке обраде пуним и ♦ ЕДМ поступке обраде жичаним електродама.

Електроерозијом се могу обрађивати сви електро проводљиви материјали без обзира на њихова механичка својства. Међутим, примена електроерозивне обраде је економична само код обраде челика велике тврдоће и чврстоће, као и тврдих метала, који се класичним методама веома тешко или никако не могу обрађивати. На слици 2.2.3. приказане су основне операције које се могу остварити применом електроерозије (Миликић, 64.стр.).

Слика 2.2.3. Основне операције електроерозивне обраде: 1 . бушење;2. израда завојних жљебова; 3. израда просторних гравура; 4. проширивање;5. глодање; 6. брушење; 7, 8, 9. сечење материјала.

Као и код других поступака обраде и овде су најважније технолошке карактеристике: производност, тачност израде и квалитет обрађене површине. Важност ових карактеристика је различита и зависи од услова обраде и намене обрађених делова.

Тако је производност процеса најважнија технолошка карактеристика са економског аспекта. Производност или количина скинутог материјала при електроерозивној обради се обично изражавау (mm 3/min) и углавном зависи од следећих фактора: материјала обратка, параметара електричних импулса, површине електроде – алата, врсте диелектрикума, интензитета испирања радног простора, материјала електроде и др.

Тачност израде и квалитет обрађене површине су важне карактеристике са аспекта функције обрађеног дела, односно његове намене. Тачност која се остварује при обради електроерозијом зависи углавном од: фактора везаних за саму машину, тачности израде електроде, топлотне дилатације електроде при обради, промене радног зазора, трошења електроде и др.

Неке од технолошких карактеристика су противуречне једна другој. Тако нпр. повећањем производности добија се лошији квалитет обрађне површине и мања тачност. Због тога је избор оптималних технолошких карактеристика, за сваки конкретан случај обраде, једно од најважнијих питања при свим врстама обраде па и при електроерозивној (Миликић, 64).

6

Слика 2.2.4. Обрада електроерозијом (израда удубљења)(преузето са: http://sr.scribd.com/doc/79444436/Nekonvencijonalni-Program)

2.3. ЕUS – Ултразвучна обрада

Ултразвучна обрада, ЕUS (енг. Electric Ultrasonic Machining) је процес обраде код којег се користе зрна брусног материјала (абразива) (слика 2.3.1., Миликић, 33). Енергија потребна за процес обраде се формира преко извора вибрација и преноси на абразивна зрна, која ударом о предмет обраде, постављен у каду са абразивном суспензијом (најчешће водени раствор брусног материјала), доводе до разарања површинских слојева и формирања конфигурације предмета обраде у складу са конфигурацијом алата.

Слика 2.3.1. Принципијелна шема димензионалне обраде ултразвуком: (1) алат; (2) обрадак; (3) абразивна суспензија.

7

Ултразвучна обрада се користи при реализацији производних операција као што су: сечење, глодање, стругање, бушење, брушење, израда навоја и обрада делова сложених конфигурација (гравуре алата за ковање и пресовање), као и за повећање ефикасности других поступака обраде и извођење других операција као што су заваривање, лемљење, испитивање материјала, идентификација и дефектоскопија различитих параметара и процеса итд (Недић, 176). Метода се користи за тврде и крте материјале који нису проводници електрицитета. Погодна је за израду зупчаника са унутрашњим зубима. Главни недостаци ултразвучне обраде су високи трошкови обраде и мало одношење материјала (http://sr.scribd.com/doc/79444436/Nekonvencijonalni-Program).

Слика 2.3.2. Примена ултразвучне обраде: а) израда гравура, б) и ц) просецање, д) и е) бушење, ф) сечење материјала (преузето са:

http://bs.scribd.com/doc/57227383/Ultrazvučna-obrada-postrojenje)

2.4. LBМ – Обрада ласером

Машинска обрада ласером (eng. Laser Beam Machining – LBM) је процес термалног уклањања материјала. При обради ласером се користи високо-енергетски сноп светлости за отапање и вапоризовање честица на површини материјала машинских делова.

Усмеравање ласерског зрака на предмет обраде (слика 2.4.1.; Недић, 168) могуће је извести велики број призводних операција: сечење, бушење, заваривање, отврдњавање, наношење превлака, итд. Ова метода је посебно погодна за израду прецизно постављених рупа, а највише се користи у електричној и аутомобилској индустрији.

Слика 2.4.1. Принципијелна шема формирања ласерског снопа

8

Недостатак обраде је промена структуре материјала у зони обраде. Могућност сечења: пластични материјали, композити, гума, дрво, челик, Al, Cu. Погодан је за обраду цилиндричних зупчаника малих димензија (слике 2.4.1-2.4.4., преузете са: http://cent.mas.bg.ac.rs/nastava/teh_mas_obrade/prezentacije/tmoa15.pdf ).

Технолошке карактеристике ове врсте обраде су: производност (маса или запремина скинутог материјала у јединици времена), тачност обраде (толеранција израде мера) и квалитет обраде (храпавост површине и стање површинског слоја) зависе од енергије извора, односно специфичне снаге у фокусу (W/cm2), али и од других параметара, као што су утицај специфичне снаге – интезитета у фокусу и утицај пречника ласерског зрака у фокусу.

Слика 2.4.1. Ласерска обрада

Слика 2.4.2. Пресек ласерске главе

Слика 2.4.3. Ласерски НУ или КНУ систем обраде

9

Слика 2.4.4. Ласерска обрада

2.5. PЈМ – Обрада плазмом

Плазма је свака материја загрејана на високу температуру довољну да се претвори у јонизовано гасно стање (четврто агрегатно стање). У таквом стању материја се понаша по законима карактеристичним за нормалне гасове, а њене основне карактеристике су: веома висока температура појединих зона, енергетска нестабилност, електропроводљивост, врло велика брзина кретања честица које сачињавају плазму итд. (Недић, Лазић, 2007:168).

Обрада плазмом (eng. Plasma Jet Machining) (слика 2.5.1.– преузето са: predmet.singidunum.ac.rs/...php/.../Predavanje%2012.-2011.pdf) се користи за реализацију производних операција које захтевају високу концентрацију топлотне енергије. То су процеси топљења, заваривања, сечења метала и неметала, наношења превлака итд.

Пропуштањем плазма гасова (радних гасова као што су аргон, водоник, кисеоник и сл.) преко електричног лука, створеног између аноде и катоде, формира се буктиња –- плазма.

Појава високих температура у плазма луку, уз велику брзину кретања честица у струји плазме, омогућује извођење производних операција као што су: стругање, сечење метала и неметала, заваривање, наношење превлака, израда делова различитих конфигурација од материјала у виду праха, топљење итд.

Слика 2.5.1. Шематски приказ лука плазме и температурних зона

10

При наношењу превлака додатни материјал (материјал превлаке) се, у виду праха, доводи у специјално обликовани горионик или у облику жице на врх млазнице горионика.

Прах се, у струји плазме, претвара у течно стање и пада у виду капљица на основни материјал, разлива по њему и формира превлаку која може бити нанета на метале и неметале.

Обрада плазмом погодна је за обраду свих материјала: Al, Cu, челик. Последњих година дошло је до примене, јер су технолошка унапређења веома снизила трошкове примене, тако да је метода постала високо продуктивна са ниском ценом обраде. Економске дебљине сечења су од 3 до 50 mm. Тачност обраде није велика и тражи се завршна обрада. Недостатак методе је уношење топлотних напона у материјал, што доводи до деформације и структурних промена материјала. Погодна је за грубу обраду цилиндричних зупчаника већих модула (http://sr.scribd.com/doc/79444436/Nekonvencijonalni-Program).

2.6. CМ – Хемијска обрада

Хемијска обрада се као високо продуктивна и економична обрада примењује за израду отвора и рупа различитих профила (http://sr.scribd.com/doc/79444436/Nekonvencijonalni-Program), израду лопатица турбинских кола, зупчаника са завојним зубима, синхроних спојница са унутрашњим узубљењем и у случајевима где сложеност профила и квалитет материјала отежавају употребу конвенционалних метода обраде, односно чине их немогућим (http://sr.scribd.com/doc/79444436/Nekonvencijonalni-Program).

Хемијске методе обраде материјала су методе заснованена уклањању вишка материјала међудејствима материјала предмета обраде и радне течности (водени раствори сумпорне, фосфорне, азотне, соне и других киселина, база или соли) унутар купатила (слика 2.6.1.; Недић, 165).

Површине које се не обрађују (нагризају) штите се заштитним слојем (различите врсте боја и лакова, специјалне лепљиве траке, гумене или галванске превлаке итд.). Очишћен и заштићен предмет обраде се ставља у каду са радном течношћу. На незаштићеним деловима површине долази до растварања материјала и његовог уклањања. Хемијска обрада се користи за извођење производних операција као што су дубоко контурно нагризање или хемијско глодање, хемијско полирање и олакшање предмета обраде на неоптерећеним или слабо оптерећеним деловима, без промене механичких карактеристика (крутости,стабилности и сл.), итд.

Слика 2.6.1. Принципијелна шема хемијске обраде

11

2.7. WЈМ – Обрада воденим млазом

Обрада воденим млазом (eng. Water Jet Machining), је хидромеханичка метода и она се користи за обликовање лима и хидромеханичко резање. То је прогресивна метода која се заснива на коришћењу енергије резања коју поседује млаз воде под великим притиском, а самим тим и великом брзином. Ова снага се постиже применом хидрауличних инсталација које пружају снагу од 8÷80 kW. Овим поступком (слика 2.7.1.; Миликић, 19) стварају се услови за сечење различитих врста конфигурација на предметима који могу бити било метални или не.

Слика 2.7.1. Принципијелна шема машине за сечење воденим млазом

Примена ове методе може знатно да смањи трошкове и убрза саму производњу услед непотребних скупих секундарних процеса машинске обраде. Како не постоји примена топлоте на материјале, обрађиване површине и ивице су чисте и минималне храпавости. Проблеми као што су дефекти напуклих ивица, кристализација, задебљања, смањена заварљивост и машинска обрадност су у овом процесу смањени на минимум.

Ова методаније погодна засечење тврдих материјала. Вода која се користи за сечење налази се под притиском од 1300÷4000 бара. Овај висок притисак се форсира кроз јако мали отвор („грлић“), који је димензија 0.18÷0.4 mm у пречнику.

Резање под воденим млазом се претежно користи за сечење материјала слабе чврстоће, као што су: дрво, пластика и алуминијум. Када се дода абразив тада се могу сећи и тврди материјали, попут разних врста челика (http://sr.scribd.com/doc/46322577/Nekonvencionalne-metode-obrade).

12

2.8. АЈМ – Обрада абразивним млазом

Обрада абразивним воденим млазом (eng. Abrasive Jet Machining) је проширена верзија сечења воденим млазом, јер вода у овом случају садржи абразивне честице, као што су: силицијум-карбид или алуминијум-оксид, у циљу повећања степена отклањања материјала у односу на сечење без абразивних честица. Уско подручје сечења и компјутерски контролисани покрети омогућавају да се овом методом призведу делови веома прецизно и економично (http://sr.scribd.com/doc/46322577/Nekonvencionalne-metode-obrade).

Ова метода ради тако што систем под веома великом брзином испушта воду кроз „грлић“ и тако се ствара вакум који увлачи абразив са абразивне линије, они се мешају у цеви за мешање и формира се сноп абразива велике брзине (слика 2.8.1.)

Примена АЈМ методе је веома популарна у аеро-космичкој, аутомобилској и електро индустрији.

Слика 2.8.1. Принципијелна шема резања абразивним воденим млазом

2.9. Остали НПО обраде

У групу осталих неконвенционалних поступака се могу убројати анодно механичка обрада, обрада у електро магнетном пољу, електро хидраулична обрада, обликовање експлозијом, електромеханичка обрада, вибрациона обрада, обрада резањем са загревањем, обликовање гумом, комбиновани поступци обраде (хемијско механичка, ултразвучно електро-хемијска, електро ерозионо-хемијска, електро ерозионо механичка и сл.) итд. (Недић, 170)

13

3. Анализа процеса обраде ласером

Скидање материјала при обради ласером остварује се путем абсорбције светлосне енергије ласерског зрака у површински слој материјала обратка, који се загрева на температуре од 4000 до 60000 К. Тако високе температуре доводи до тренутног растапања, испаривања или сагоревања било ког материјала (слика 3.1.) и стварања малог удубљења – кратера. Механизам скидања материјала при обради ласером је исти као код снопа електрона, само је енергетски извор другачији. Са истопљеним и испареним материјалом из обратка се одстрањују и чврсте честице што је резултат разарања материјала због високог термичког напрезања. Ласерски зрак фокусиран на радни пречник од 0.15-0.20 mm може да сече готово све познате материјале. Економске дебљине сечења су од 1-25 mm. Тачност обраде је у границама од 5-8% од димензије обратка (http://sr.scribd.com/doc/79444436/Nekonvencijonalni-Program).

Слика 3.1. Основни механизми скидања материјала при обради ласером

Процес обраде електронским снопом (http://predmet.singidunum.ac.rs/mod/folder/view.php?id=319) или снопом убрзаних електрона се остварује тако што се сноп електрона (слика 3.2), формиран на ужареној катоди (електронској пушци - 1), убрзава, у вакууму, напонском разликом између катоде и аноде (2), односно аноде и предмета обраде (5).

Тако убрзан сноп електрона се усмерава на предмет обраде. Нагло заустављање формираног и фокусираног снопа убрзаних електрона доводи до претварања огромне количине кинетичке енергије у топлотну.

То претварање енергије изазива низ термичких процеса као што су: загревање, топљење и испаравање материјала предмета обраде, уз постепено обликовање предмета обраде.

14

Слика 3.2. Процес обраде електронским снопом

У зависности од густине фотонског млаза (Миликић, 139), дужине импулса и материјала обратка, течна фаза у продуктима обраде износи 30÷80% од укупне количине скинутог материјала.

На рачун апсорбоване енергије ласерског зрака настаје кратер чија дубина и пречник зависе од енергетских карактеристика зрака, слика 3.3. Види се да са повећањем интензитета импулса долази до повећања пречника улазног отвора, али знатно спорије него што се повећава дубина продирања.

Слика 3.3. Зависност димензија кратера од интезитета ласерског зрака; I – за време обраде, II – после обраде

Повећање снаге ласерског зрака остварује се његовим фокусирањем на врло малу површину обратка. На тај начин се остварује специфична снага у фокусу која је

15

у стању да произведе жељене ефекте обраде, односно да загреје материјал обратка на температуру при којој он почиње да се топи, испарава или сагорева.

С обзиром да на специфичну снагу велики утицај има пречник ласерског зрака у фокусу, врло је битно остварити на том месту његову најмању могућу вредност. Осим тога и пречник отвора који се постиже при обради зависи од овог пречника, па се ради тога анализирају фактори који утичу на његову величину.

При обради ласером се практично могу остварити следеће оријентационе вредности технолошких карактеристика процеса, које знатно варирају зависно од подручја примене (Миликић, 142):

- Производност: 30÷800 mm3/min

- Тачност обраде: 0, 01÷0, 02 mm

- Квалитет обрађене површине: N9÷N12.Производност (маса или запремина скинутог материјала у јединици времена), тачност обраде (толеранција израде мера) и квалитет обраде (храпавост површине и стање површинског слоја) зависе од енергије извора, односно специфичне снаге у фокусу (W/cm2).

4. Технолошки поступци

Ласером се може урадити велики број операција, и то (Миликић, 142): Бушење малих отвора (пречника 0, 01÷0, 1 мм) на матрицама за извлачење

жице или вештачких влакана, у часовничарској и јувелирској индустрији и др.;

Обрада просторних површина, тзв. „ласерско глодање”; Гравирање натписа, мерних скала, нонијуса, ознака и др.; Сечење танким резовима, нарочито код скупих и тешко обрадљивих

материјала; Заваривање истих или различитих метала и неметала; Површинска термичка обрада; Локално наношење тврдих превлака и др.

Бушење ласерским снопом (слика 4.1) омогућава израду малих рупица на сваком материјалу. Тачно усмерен сноп користи се и код пластичних материјала, где се радња изводи пулсирајући до израде коначне димензије рупе. Употребом пулсирајућег ласера могу се израдити и конуси, а поступак је познатији под називом »про Пулс«.

Процес обраде се заснива на стварању рупе или отвора на материјалу предмета обраде деловањем фокусираног ласерског зрачења при чему се материјал уклања испаравањем. Количина материјала која ће бити одстрањена испаравањем зависи од густине снаге ласерског зрачења и латентне топлоте испаравања материјала предмета обраде.

16

Слика 4.1. Бушење ласером

Обрађивање површине ласерским снопом подразумева различите употребе као што су термомеханички поступци, емајлирање, легирање, дисперзија и слично. Остварује се померањем обратка у односу на алат – ласерски зрак, које подсећа на копирно глодање, па отуда и назив „ласерско глодање”. Површинска обрада ласерским снопом нуди неколико предности у односу на друге поступке: минималан унос топлоте на обрадак, тачна контрола подручја обраде, мали број грешака, одлична и једноставна контрола процеса. Да би се избегле структурне промене и дефекти у површинском слоју, ласерски зрак се креће великом брзином по површини обратка, па тако нема времена да топлота продре дубље у обрадак. Тако се постиже да слој са измењеном структуром буде око 0, 01 mm. При обради се постиже производност од 30÷800 mm3/min, док тачност скидања материјала по дубини износи око 0, 1 mm.

Означавање са ласерским снопом и гравирање су врло раширени поступци (слика 4.2). Са ласером можемо постићи специфичну промену површине или одређеног подручја.

Померање ласерског снопа по програмираној контури врши се помоћу два огледала која се могу окретати, једно око вертикалне, а друго око хоризонталне осе. При томе ласерски сноп може да се креће по одређеној линији (контури и др.) у једној равни. Метода гравирања вођењем ласерског зрака се користи у случајевима када је потребан висок квалитет гравирања и велика флексибилност. Критеријуми за оцену квалитета гравирања су: контраст, оштрина контуре, храпавост површине, отпорност на механичке и хемијске утицаје и др.

Слика 4.2. Гравирање ласерским снопом

Сечење (резање) помоћу ласерског зрака (слика 4.3), и то скоро свих врста материјала, данас је најраспрострањенија примена ласера у подручју обраде материјала. Ефикасност сечења ласером може се знатно повећати применом тзв.

17

радног гаса (користе се: О, N и Аr), који се убацује у смеру деловања ласерског зрака, а чији задатак је да побољша сагоревање и одстрањивање продуката обраде. Сечења ласером уз примену радног гаса изводи се континуалним режимом рада. Овом обрадом се обрађују обрадиви материјали, танки и лако ломљиви материјали, делови сложеног облика, минијатурни делови и сл.

Ласерско резање је успостављена процедура за прецизно резање контура, резање цеви и профила.

Ласерско резање има своје предности као што су брзина, прецизност.Лоша страна су само високе инвестиције и оперативни трошкови, а ласерско

резање не надмашује увек конкуренцију..

Слика 4.3. Сечење ласером

Заваривање ласером (слика 4.4) се такође веома често примењује у пракси због бројних предности у односу на друге поступке заваривања. Може се одвијати уз примену додатног материјала или без њега, као и у атмосфери или под заштитом гаса. Поред металних могу се заваривати и неметални материјали, што је изузетно тешко, а у неким случајевима и немогуће извести било којом конвенционалном методом заваривања. Ласерско заваривање изводи се са СО2 ласером. Ласерски сноп се усмери на једну малу тачку, чиме се добије довољна снага за топљење материјала. За фокусирање великих снага СО2 ласера, уместо огледала се користе водом хлађена огледала.

Слика 4.4. Заваривање ласером

18

Ласер је изузетно погодан за локално загревање површинског слоја материјала који се термички обрађује. На тај начин се могу спровести скоро сви до сада познати облици термичке обраде који имају задатак да ојачају или оплемене одређене површине на обратку. Отврдњавање или површинска термичка обрада снопом ласерских зрака заснива се на загревању, топљењу и ударном оптерећењу. Термичка обрада ласером је могућа како за поједине зоне посебно изложене хабању, тако и за површине у целини, уз хлађење различитим средствима.

Наношење тврдих превлака ласером је модеран и перспективан поступак којим се повећава површинска отпорност на хабање елемената машина и алата. Превлаке нанете овим поступком су ниске порозности, високе тврдоће и чврсто су везане за основни материјал. Додатни материјал се посебним поступцима претходно наноси на површину обратка, слика 4.5/а, или се доводи на површину кроз дизну у зону деловања ласерског зрака, слика 4.5/б. Деловањем ласерског зрака, додатни материјал се претвара у течно стање и разлива по основном материјалу формирајући тако превлаку одговарајућих карактеристика.

Слика 4.5. Шема наношења тврдих превлака помоћу ласерског зрака а) са додатним материјалом нанетим на површину обратка; б) са дозирањем додатног материјала

5. Опрема за обраду

Ласерско постројење2 има задатак да обезбеди генерисање ласерског зрака одређених карактеристика, као и да осигура његово вођење и обликовање пре самог усмеравања на површину обратка. Осим тога оно мора да обезбеди прихватање и стезање обрадака, као и потребна кретања при обради слично као код машина за обраду резањем. На слици 5.1. дат је шематски приказ ласерског постројења са ЦНЦ управљањем у правцу 5 НУ–оса, ана слици 5.2.изглед једног таквог постројења фирме MAHO.

2 Ласерска постројења за различите врсте обраде дата су Прилогу 1, на 30. страни.

19

Слика 5.1. Шематски приказ ласерског постројења за обраду различитих материјала

У металопрерађивачкој индустрији ласери су нашли примену за обраду метала, мерење и контролу квалитета. У обради метала, како је наведено, ласери се користе за: бушење, сечење, обележавање, контурну обраду, заваривање и термичку обраду.

Ласерске машине се састоје од: ласера, оптичког система за пренос снопа ласерских зрака, обрадне главе, координатног радног стола, система за напајање енергијом и управљачке јединице.

Ласер ствара униформни, са могућношћу фокусирања, светлосни сноп ласерских зрака који може бити концентрисан и усмерен са великом прецизношћу. Сноп ласерских зрака представља алат у обрадном систему.

Активна материја ласера може бити у сва три агрегатна стања, односно чврстом, гасовитом и течном стању, зависно од жељене снаге и подручја примене.

Чврсти ласери се праве са рубинским (слика 5.3) емитором (Аl2О) уз додатак јона хрома (Cr+3) или неодијума (Nd+3) као активних језгара, итријумско–алуминијумски оксид (Y3 Аl5 О12) са јонима неодијума као активним језгрима, тзв. YАG–ласер, затим разне врсте стакла итд. Углавном раде у импулсном режиму да би се избегло велико загревање ласерског тела, при чему су за континуалан рад најпогоднији YАG–ласери, с обзиром да се најмање загревају при раду.

20

Слика 5.2. Laserska glodalica MAHO LASERCAV sa CO2–laserom snage 30÷750 W i frekvencijama 100Hz do 100kHz

Слика 5.3. Рубински ласер је ласер са крутим језгром. Као језгро користи штапић рубина

Гасовити ласери (слика 5.4) су веома распрострањени, а за обраду се најчешће користи CО2–ласер чију гасну смешу чине: азот (N2) и хелијум (Hе), уз додатак угљен диоксида (CО2) који игра улогу активне материје, као и смеше хелијума (Hе) , неона (Nе), аргона (Аr) и криптона (Кr). Могу да раде у континуалном и импулсном режиму.

Слика 5.4. Поједностављена шема CО2 ласера

Течни ласери нису нашли примену у уређајима за обраду материјала. Иначе се као течна ласерска тела користе неоргански раствори соли: фосфор–оксихлорид (PОCl3) и селен–оксихлорид (SеОCl4) са додатком олово тетрахлорида (PbCl4) или халогенида метала као активне материје.

Оптички систем за пренос снопа ласерских зрака представљају погодно реализовани манипулатори (телескопске цеви и огледала) који преносе сноп ласерских зрака од ласера до обрадне главе.

Вођење ласерског снопаУ обрадној глави се врши фокусирање снопа ласерских зрака на радни

пречник од 0. 2 mm при чему се добија густина снаге од преко 108 W/cm2. Фокусирани сноп ласерских зрака, уз помоћ млаза радног гаса, се користи за обраду.

21

Ласерска глава за сечење

Координатни радни сто обезбеђује кретања која су усаглашена са потребама ласерске машине.

Систем за напајање енергијом се састоји од: система за напајање ласерске машине електричном енергијом, система за напајање ласера смешом гасова када се ради о CО2 ласеру и система за напајање обрадне главе радним гасом (О2, Аr, N2 или ваздух).

Ласер и оптички систем за пренос снопа ласерских зрака се хладе најчешће водом.

Управљачка јединица је комплексан hardware и software систем чији је задатак да процесира блокове програмских информација, контролише вишеосна померања, параметре ласера, параметре обраде и сензоре.

Управљачка јединица Siemens Sinumerik 840D CNC je 320-biti sa inegrisanim PC-om

22

6. Примери примене

Особине ласерског зрачења омогућавају разноврсну примену у многим гранама науке и технике.

У индустрији и технологији се користе за тачна мерења удаљености објекта, брзине кретања тела, као извори монохроматског и кохерентног зрачења за испитивање нелинеарних оптичких ефеката. Користе се при спектралној анализи, при обради материајла – сечење, бушење, лемљење, заваривање, гравирање, итд. Служе при изради фотографија, при 3D – мерењу (слика 6.1), добијању информације о облику тела у 3 димензије…

Слика 6.1. Try pulse уређај за мерење који користи ласерску технологију

У медицини се ласери (СО2, аргон – Аr) користе за одређене врсте лечења. Служе за дијагностиковање (слика 6.2.), при операционим захватима, естетским и дерматолошким третманима. У хирургији ока користи се ласерски нож. Његова прецизност је много већа јер се контролише компјутерски при раду, тако да оштећује мању површину ткива, ствара мањи постоперитивни бол јер је мањи број оштећених нервних завршетака. Помоћу ласера се могу дијагностиковати ћелије рака, а постоје и фото - динамичке терапије (у којим учествују ласери) којима покушавају оне да се униште.

Слика 6.2. Ласерска дијагностика ока

У телекомуникацијама ласерско зрачење има велике перспективе да служи за пренос информација на релацијама Земља - Земља, космос - космос, Земља – космос (слика 6.3.). Везе на Земљи су огарничене на мања растојања због слабљења ласерског зрачења при проласку кроз атмосферу или воду.

23

Слика 6.3. Ласерски пренос података Земља-космос

Војна примена ласера започета је још 60 - тих година двадесетог века. У САД су пројектовани ласерски ситеми за самонавођење разних пројектила. Због мале ширине снопа, ласерске фото - камере дају квалитетне аерофото снимке и са великих висина. У навигацији се користе системи за безбедније упловљавање бродова и авиона (слика 6.4.). Велики интензитет ласерског снопа, прецизност и усмереност пружају нам стварање моћних оружја и са огромних удаљености.

Слика 6.4. Војна примена ласера у навигацији

Примене ласера, имамо данас, у свакодневном животу, у домовима и на радним местима где користимо, компјутере, CD - читаче и писаче (слика 6.5.), ласерске штампаче (слика 6.6.), оптичке дискове…

Слика 6.5. Ласерско складиштње података на CD-има

24

Слика 6.6. Ласерски штампач

У самопослугама се користе бар - код скенери (слика 6.7.), холограми против фалсификовања на новчаницама и кредитним картицама, који су стварени путем ласера. Најновији облик складиштења информација на компакт дискове чини се, такође уз помоћ ласера.

Слика 6.7. Ласерски бар код скенер

Чак и савремена уметност и остали облици популарне забаве користе данас ласерске снопове, холограме и слично (извор података: http://fizikaokonas.wordpress.com/).

6.1. Примери примене ласера при обради материјала

Иако је до данас развијен велики број различитих врста ласера, за обраду металних и неметалних материјала углавном се користе две врсте, а то су: CO2 и Nd: YАG ласери. Први су веома снажни ласери (инсталисане снаге до 25000 W) који се углавном користе за сечење материјала велике дебљине и за заваривање, а други су знатно слабији (инсталисане снаге до 1500 W) и користи се за фине и прецизне обраде (Миликић, 143-152).

Најчешћа ласерска обрада материјала је обрада резањем, бушењем, заваривањем, гравирањем, маркирањем, површинска обрада …

25

Обрада бушењем

Овде се ради о бушењу микроотвора чији пречник износи од неколико μм до неколико стотина μм, а однос пречника и дубине 1:10. Користи се у индустрији прецизне механике, нпр. часовничарској индустрији, за бушење малих отвора у лежајевима од рубина и сафира, у текстилној индустрији за израду дизни које служе за извлачење синтетичких влакана, за перфорирање танких лимова и плочица, за бушење отвора на лопатицама турбина који служе за хлађење и др. (пример – слика 6.1.1.; ). Да би се умањила коничност отвора користи се бушења ласерским зраком уз ротацију радног предмета или ласерског зрака.

Слика 6.1.1. Бушење микроотвора на плочи од Al–керамике

Обрада просторних површина помоћу ласера

Служи за обраду различитих гравура, пример на слици 6.1.2., затим уских прореза, отвора сложеног профила, какви су нпр. код матрица за извлачење жице, слика 6.1.3. и сл.

Слика 6.1.2. Пример гравура израђених ласерским „глодањем”

26

Слика 6.1.3. Пример дијамантских матрица за извлачење жице израђених ласерским „глодањем”

Гравирање – означавање ласером

Познато је да сваки индустријски произведен део треба да се означи ради касније идентификације (слика 6.1.4.). Ознака мора бити трајна и то је највећи проблем поступака који користе налепнице, исписивање бојом и сл. Исто важи и за скале мерних инструмеата, које уз то морају бити и врло прецизно израђене, плочице за идентификацију машина и других уређаја, бар кодове, без којих се данас не може ни један производ пласирати на тржиште итд. Све ово се данас ради помоћу ласера и то много прецизније, лепше и апсолутно трајно.

Слика 6.1.4. Примери коришћења ласера за гравирање

27

Сечење ласером

Сечења ласером (слика 6.1.5) уз примену радног гаса изводи се континуалним режимом рада. Овом обрадом се обрађују обрадљиви материјали, танки и лако ломљиви материјали, делови сложеног облика, минијатурни делови и сл.

Слика 6.1.5. Пример предмета сечених ласером (http://koplas.co.rs/2012/12/03/salvagnini-l3-fiber-laser/)

Заваривање ласером

Заваривање ласером омогућава уско и дубоко заваривање и зато има широку примену (слика 6.1.6.)Главне предности заваривања ласером су:

висок квалитет завареног споја велика прецизност и брзина занемарљива зона утицаја топлоте уштеда времена мање интервенције у погледу обраде након ласерског заваривања поузданост дела повољна цена

Слика 6.1.6. Ласерско заваривање у ауто индустрији (http://www.volkswagen.hr)

28

7. Закључци

Код савремени технологија обраде се ефекат скидања (одношења) материјала постиже довођењем одређеног облика енергије директно у зону обраде. Деловањем те енергије од полуфабриката добија се радни део.

Најчешће коришћене савремене технологије су: електроерозија, плазма трхнологија, обрада ласером...

Поступак обраде ласером се заснива на стварању и коришћењу високо концентрисане светлосне енергије ласерског снопа, која у судару са материјалом проузрокује његово локално топљење и испаравање, а као последица настаје одвајање, бушење или спајање заваривањем делова материјала радног прадмета.

Откриће и сама примена ласера убрзава развој технологије. Примена ласера на различитим пољима омогућава лакше, брзе и ефикасније обављање различитих послова. Сама заступљеност у медицине, астрономији и у војне сврхе говори о прецизности ласера и перфекцији обављеног посла.

Ласерска употреба при резању, заваривању, гравирању, бушењу и осталим обрадама метала омогућава ефективнији учинак жељене обраде.

Развој ласера је унапредио и развој PC технологије, не само израду рачунара већ и њихове меморије (CD, DVD..) која временом добија све веће капацитете.

Предности које код извођења операција одношења материјала пружају неконвенционалне методе обраде, претпоставка су за све већу њихову примену у области прераде метала.

29

ПРИЛОГ

Ласерски систем за бушење

Машина за ласерско гравирање (dg-laiyin.en.made-in-china.com/product/ybHxUVOjlpcB/China-CE-Compliant-Laser-

Engraving-Cutting-Machine-TY-960B-.html)

30

Машине за ласерско обележавање

Машина за ласерско резање (http://www.alfamotor.rs/catalog.php)

Машина за ласерско заваривање (www.bizrice.com)

31

ЛИТЕРАТУРА

1. Миликић, Драгоје (2002): Неконвенционални поступци обраде-приручник за студије и праксу, Универзитет у Новом Саду, Факултет техничких наука, Нови Сад.

2. Регодић, Душан (2011): Технички системи, Универзитет Сингидунум, Београд.

3. Недић, Богдан и Лазић, Миодраг (2007): Производне технологије – Обрада метала резањем, Машински факултет Крагујевац, Крагујевац.

4. Недић, Богдан, Обрада ласером, скрипта у припреми.

5. cent.mas.bg.ac.rs/nastava/teh_mas_obrade/prezentacije/tmoa15.pdf6. dg-laiyin.en.made-in-china.com/product/ybHxUVOjlpcB/China-CE-

Compliant-Laser-Engraving-Cutting-Machine-TY-960B-.html7. predmet.singidunum.ac.rs/...php/.../Predavanje%2012.-2011.pdf8. http://ap.polyu.edu.hk/apakhwon/laser_processing.html9. http://bs.scribd.com/doc/57227383/Ultrazvučna-obrada-postrojenje10. http://eskola.hfd.hr/clanci/50_godina_lasera_Natasa_Vujicic.pdf11. http://fizikaokonas.wordpress.com/12. http://koplas.co.rs/2012/12/03/salvagnini-l3-fiber-laser/13. http://scindeks-clanci.ceon.rs/data/pdf/0354-6829/2007/0354-

68290702075R.pdf14. https://sites.google.com/site/petarblagojevictehobrazovanje/3-sedmi-razred/4-

tehnologija-obrade-masinskih-materijala/3-1-nekovencionalni-savremeni-postupci-obrade#TOC--2

15. http://sr.scribd.com/doc/46322577/Nekonvencionalne-metode-obrade16. http://www.alfamotor.rs/catalog.php17. http://www.fsb.unizg.hr/kas/Tehnologija%20I/Nekonvencionalne.pdf18. http://www.lindeplin.hr/19. http://www.scribd.com/doc/92095628/nekonvencionalni-postupci-obrade-do20. http://www.tfc.kg.ac.rs/tio2010/PDF/RADOVI/419%20Jankovic%20-

%20Primena%20lasera%20u%20radnoj%20sredini.pdf21. http://www.volkswagen.hr22. www.bizrice.com

32