Лазер у виробництві

Лазери є одним із найбільш широко використовуваних інструментів у виробництві сьогодні, особливо тому, що сучасне виробництво та індустрія дозволяють інженерам створювати більш складні функції та дизайни виробів, які вимагають жорстких допусків. Лазерна обробка може створювати тонкі деталі, які складно або неможливо зробити за допомогою традиційного обладнання для обробки, а лазерне різання є надзвичайно чистим, таким чином усувається потреба в деяких вторинних етапах обробки.

Лазери все частіше використовуються для друку унікальних ідентифікаційних (UID) номерів на деталях і продуктах, що дозволяє легко відстежити їх у разі відкликання. Лазерне маркування довговічне, а для медичних пристроїв може витримувати багато циклів стерилізації. На виробах деталей лазером можна наносити як інформацію, яку можна прочитати, так і штрих-код. Також лазерне маркування вважається екологічно чистим процесом, оскільки воно не передбачає використання чорнила, хімікатів або розчинників, які можуть утворювати відходи або шкідливі викиди.

Подібно до лазерного свердління, лазерне різання покладається на сфокусований лазерний промінь для абляції матеріалу, прямого різання або вирізання візерунків на дуже точну глибину в матеріалі чи компоненті. Надшвидкісні лазери зазвичай використовуються для різних типів металів і полімерів, оскільки вони обрізають чисті краї та не створюють зон теплового впливу.

Порівняно зі звичайним механічним обробленням, точність лазерного різання призводить до менших відходів матеріалу, а процес швидший і дешевший,  обладнання також потребує менше обслуговування. Крім того, продуктивність максимізується, оскільки будь-які необхідні зміни в обробці можна виконати швидко та легко.

Цей субтрактивний метод обробки по суті випаровує матеріал з високою точністю за допомогою лазерного променю. Довжина імпульсу, довжина хвилі та інтенсивність регулюються відповідно до матеріалу, що обробляється. Абляція особливо корисна для обробки чутливих матеріалів, таких як наноматеріали або надпровідні матеріали, оскільки безконтактний метод не змінює структуру матеріалу та не пошкоджує його поверхню стиранням або нагріванням.

Цей метод дозволив отримати більш давній та точний мінімальний вік малюнку. Лазерна абляція, хоч і дає велику похибку через менші розміри зразків, є цінною для датування творів мистецтва, що погано збереглися. Дослідники на чолі з індонезійським археологом Адхі Аугусом Октавіаною виявили, що цей метод підвищив мінімальний вік малюнку до 51 200 років. Ця різниця є значною, вона дорівнює часу від зародження цивілізації до нашого часу.

Лазери неймовірно точні для свердління отворів мікронного розміру в широкому спектрі матеріалів, включаючи метали, полімери та кераміку.

Продуктивність прошивання малих отворів може досягати десятків і навіть тисяч на секунду. Особливо ефективним є оброблення мікро- та наноотворів у деталях із надтвердих матеріалів — діаманта, сапфіра, рубіна, новітніх композитів тощо.

Лазерне зварювання матеріалів стало вже майже традиційним в аерокосмічному комплексі, енергетиці, автомобілебудуванні, електроніці та інших виробничих галузях. Широке застосування цієї нової технології сталося завдяки високій якості оброблення, можливості досягнення значної швидкості, особливо в умовах автоматизації процесу, з'єднання різних за властивостями матеріалів. Зварювання проводять із забезпеченням густини потужності сфокусованого лазерного випромінювання на рівні 104…107 Вт/см², достатнього для розплавлення матеріалу із тривалістю впливу імпульсів від 10−2…10−3 с до неперервного випромінювання. Лазерне зварювання дозволяє з'єднувати деталі зі швидкістю формування зварного шва до 10 м/хв. Лазерним методом зварюють високоміцні сталі, сплави (титанові, алюмінієві, нікелеві, молібденові тощо), композиційні матеріали, кераміку, а також різнорідні матеріали (наприклад, сталь-мідь, сталь-вольфрам, сталь-кераміка).

«Лазерне зачищення дроту — це швидкий процес, який забезпечує чудову точність і контроль процесу та усуває контакт з дротом, дозволяючи обробляти делікатний дріт діаметром понад 32 AWG. Ізоляцію можна видалити з точністю до 0,005 дюйма», — вважають експерти.

Лазери є ключовими елементами обладнання для новітньої промисловості, і дослідники продовжують вивчати, як використовувати їх більш ефективно у виробничих процесах, зокрема на вищих швидкостях.

Наприклад, у 2018 році Національний інститут стандартів і технологій (NIST) створив лазер, який пульсує в 100 разів швидше, ніж звичайні надшвидкісні лазери (імпульси тривають квадрильйонні частки секунди). Крім того, вчені з Німеччини експериментують з інтеграцією крихітних лазерів безпосередньо в кремнієві чіпи, щоб збільшити швидкість обробки.

Ще один напрямок досліджень — використання штучного інтелекту (AI) для створення розумних лазерів, які «розуміють» матеріал, що обробляється, і коли процес завершено. Німецький виробник машин TRUMPF розробляє лазерну систему, яка використовує ШІ для визначення найкращих точок зварювання для створення мідних котушок для автомобільної промисловості.

Оскільки все більше компаній використовують новітні технології, включаючи ШІ, сенсорні технології та адитивне виробництво, роль лазерів у сучасному виробництві буде дедалі зростати.

Онищенко Ксенія, 11Ал