1. Wymień i scharakteryzuj technologie laserowej obróbki powierzchni

Technologie laserowej obróbki powierzchni:

•Technologie laserowej obróbki cieplnej (hartowanie, wyżarzanie, przesycanie, rekrystalizacja)

•Przetapianie laserowe

•Stopowanie/wtapianie laserowe

•Napawanie laserowe

•Laserowe metody Rapid Prototyping

•Znakowanie laserowe

•Ablacja laserowa

•Cięcie laserowe

•Technologie laserowe w medycynie

PRZETOPIENIE - polega na bardzo szybkim nagrzewaniu powierzchni obrabianej wiązką laserową, czego efektem jest stopienie materiału na głębokość zależną od parametrów prowadzonego procesu. W zależności od rodzaju materiału, w czasie procesu stosuje się gazy ochronne (argon, hel, gazy aktywne chemicznie – Ar+CO2, CO2, Ar+N2).

Struktura: drobnoziarnistością i dużą jednorodnością chemiczną, a co za tym idzie, wysoką twardością, bardzo dobrą odpornością na ścieranie, erozję oraz działanie czynników zewnętrznych.

Grubość warstwy przetopionej: od 5 µm do 5 mm.

OBRÓBKA CIEPLNA - Utwardzanie laserowe materiałów inżynierskich, polega na nagrzaniu wiązką lasera warstwy wierzchniej (o określonej grubości) elementu obrabianego do zakresu austenityzacji oraz odpowiednio szybkim schłodzeniu celem zajścia przemiany martenzytycznej. Dzięki temu podnosimy twardość warstwy wierzchniej, przy nienaruszonym rdzeniu.

STOPOWANIE LASEROWE – (LSA) polega na wzbogacaniu przetopionych warstw wierzchnich materiałów w dodatki stopowe przy jednoczesnej zmianie struktury osnowy warstwy wierzchniej. Proces może odbywać się w wyniku

• PRZETAPIANIA- przetopienie wiązką laserową podłoża materiału podstawowego z naniesioną uprzednio warstwą materiału dodatkowego w postaci past, powłok elektrolitycznych lub natryskiwanych plazmowo oraz płomieniowo

• WTAPIANIE - w wyniku podawania bezpośrednio do jeziorka ciekłego metalu materiału dodatkowego w postaci proszku albo pasty lub w atmosferze gazów aktywnych chemicznie, np. azotu.

Warstwy wierzchnie charakteryzują się: niewielką grubością i szczególnymi własnościami, dużą odpornością na ścieranie, erozje, korozje, działanie agresywnych środków chemicznych, dużą twardością, dużą wytrzymałością zmęczeniową i żaroodpornością.

NAPAWANIE - polega na nałożeniu powłoki metodą spawalniczą przez dokładne stopienie materiału dodatkowego (spoiwa), z nadtopionym materiałem podłoża. Napawanie stosuje się zazwyczaj w celu regeneracji zużytych części maszyn i urządzeń oraz wytworzenia użytkowej warstwy wierzchniej na nowych elementach.

Grubość warstwy: od 0,1 mm do powyżej 10 mm w przypadku zastosowania napawania wielowarstwowego.

Znakowanie laserowe

Podstawowym zjawiskiem występującym w procesie, jest absorpcja energii w warstwie wierzchniej a następnie lokalny wzrost temperatury w wyniku czego następuje topienie i odparowanie materiału.

Tego typu technologia wykorzystywana jest w przemyśle rozlewniczym, tytoniowym, spożywczym i kosmetycznym do nanoszenia numerów seryjnych i kodów, dat produkcji oraz przydatności do użycia.

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

•usuwanie części materiału drogą wybuchowego odparowania i umacnianie pozostałego materiału z wykorzystaniem zjawiska fali uderzeniowej.

CIĘCIE LASEROWE - polega na skierowaniu wiązki lasera na powierzchnię materiału, który zostaje stopiony, odparowany lub spalony. Padanie skoncentrowanej wiązki światła na powierzchnię materiału powoduje jego intensywne nagrzewanie się. Podczas procesu doprowadza się pewną ilość gazu do strefy cięcia. Dodatkowy strumień gazu wydmuchuje stopiony materiał i jego pary powstałe podczas procesu.

Cięcie laserowe zapewnia:

•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

LASEROWE METODY RP - RP różne technik stosowane do wytwarzania fizycznych modeli bezpośrednio z rysunków CAD-3D. Metody te wykorzystują zdolność do łączenia materiałów takich jak proszki, żywice czy arkusze w celu tworzenia obiektów fizycznych. Warstwa po warstwie, nakłada się tworzywo, papier, ceramikę, metal lub kompozyt różnych materiałów, wg kolejnych przekrojów poziomych modelu komputerowego. Obiekty mogą być tworzone pomimo skomplikowanej geometrii oraz złożoności.

Techniki RP:

• SLA(Stereolitografia)

• SLS(Selektywne spiekanie laserowe)

• IJP(Wielostrumieniowe nanoszenie maeriału)

• LENS

• FDM(Wytłoczne osadzanie stopionego materiału)

• LOM(Warstwowe wytwarzanie obiektów)

• 3DP(Przestrzenne zestalanie proszku lepiszczem)

1. Przedstaw metody charakteryzacji własności technologicznych materiałów inżynierskich obrabianych laserowo

Twardość: Vickers – wciskanie diamentowego wgłębnika w postaci stożka
Ścieralność: Pin on disc - polega na pomiarze ubytku masy próbki podczas ścierania jej na wirującej tarczy ściernej

Adhezja: Scratch test – metoda badania wytrzymałości połączenia powłoki z podłożem. Polega na wykonaniu rysy na powierzchni próbki diamentowym wgłębnikiem Rockwella C przy obciążeniu siłą normalną FN

Mikroskopowe: grubość warstwy, porowatość, gładkości/równości powierzchni
Odporność na zginanie: Trzypunktowe badanie wytrzymałości na zginanie. Typowe wyniki badań, to moduł zginający E, naprężenie przy 3,5 % odkształceniu oraz naprężenia i wydłużenia przy granicy plastyczności i przy zerwaniu próbki. Wyniki badania na zginanie ukazują w szczególności zachowanie materiału w pobliżu powierzchni próbki.

1. Scharakteryzuj urządzenia stosowane w materiałowych procesach obróbki powierzchniowej

Zasada działania lasera:

Wśród metod pompowania możemy wyróżnić pompowanie:

• optyczne – wykorzystujące promieniowanie świetlne,

• elektryczne – wykorzystujące zjawisko wyładowań elektrycznych w gazach, bombardowania strumieniem elektronów, przewodzenia prądu w półprzewodnikach

Stan wzbudzenia ośrodka czynnego lasera można uzyskać przez:

• napromieniowanie ośrodka lampą błyskową, łukową lub innym laserem

• 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.

Zaletą współczesnych laserów jest to, że:

• umożliwiają uzyskanie prostokątnego, kwadratowego, liniowego lub kołowego kształtu ogniska wiązki laserowej,

• kontrolowany rozkładem energii w miejscu ogniskowania przy gęstości mocy do 105 W/cm2,

• są stabilne,

• są łatwe w sterowaniu,

• charakteryzują się wysokim współczynnikiem absorpcji promieniowania,

• mają niewielkie gabaryty,

• nie wymagają prowadzenia wiązki laserowej przez złożone układy optyczne

Lasery cieczowe - Pobudzane optycznie promieniowaniem laserowym

• laser barwnikowy- wykorzystujące jako ośrodek czynny roztwory różnych barwników w rozpuszczalnikach. Jest to laser o pracy ciagłej lub impulsowej umożliwiający ciagłą zmianę długości fali w zakresie 0,35-1,3 mikrometra przez zastosowanie w nim jako ośrodka czynnego kolejno różnych barwników.

• Chemiczny

Lasery gazowe – ośrodek czynny na gazowy stan skupienia. Charakteryzują się występowaniem wąskich linii widmowych zarówno emisyjnych jak i absorpcyjnych.

• atomowe - ośrodek czynny: gaz atomowy bądź mieszaniną takich gazów. W części z nich, aby otrzymać odpowiednie wzbudzenie należy gaz zjonizować (np. lasery argonowe) .

• jonowe np. wykorzystują jako ośrodek czynny atomy argonu utrzymywane w rurze wyładowczej pod ciśnieniem około 0,1 Tora. Laser ten może emitować ponad 30 linii w zakresie od nadfioletu do światła czerwonego (od 275 nm do 686,1 nm).

• Molekularne

- Lasery CO2 generujące promieniowanie o długości fali 10.600 nm pracują w reżimie pracy ciągłej z mocą od 30-100 W lub impulsowej o czasie i energii impulsów odpowiednio ok. 10-600 mikrosekund i 0.25 J oraz częstotliwości do 1 kHz.

Lasery stałe ośrodek czynny: kryształ dielektryka lub szkło domieszkowane jonami metali, które odpowiadają za własności laserowe ośrodka. Typowym przedstawicielem kryształów wykorzystywanych jako materiał bazowy ośrodka czynnego lasera jest korund Al2O3 (w swej odmianie szlachetnej zwany szafirem).

• Laser rubinowy - -środkiem czynnym lasera rubinowego jest kryształ korundu domieszkowany chromem. Długość emitowanej fali : 694,3 nm.

• Lasery neodymowe - w laserach tych domieszkę stanowią trójkrotnie zjonizowane atomy lantanowców. Neodym jest domieszkowany do szerokiej grupy materiałów bazowych, spośród których najbardziej znanym jest granat itrowo-aluminowy, oznaczany jako YAG (Yttrium Aluminium Garnet). W tym krysztale Nd emituje głównie linię 1064 nm.

• Laser na centrach barwnych

• Laser diodowy

Inne

• Lasery na swobodnych elektronach elektrony sa przyspieszane do wysokich energii, a następnie przepuszczane przez periodyczne pole magnetyczne w undulatorach. W trakcie tego procesu elektrony emitują promieniowanie elektromagnetyczne, które wytwarza ultrakrótkie impulsy intensywnego promieniowania.

• Rentgenowskie i promieniowania gamma

1. Przedstaw perspektywy zastosowania laserowej obróbki powierzchniowej dla wybranych grup materiałów

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, N2, 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 – Cr2O3, TiO2, B2O3.

Przetapianie : stal węglowa, s. stopowa, stal wysokostopowa chromowa, żeliwa, stopy na osnowie niklu, kobaltu, tytanu, cermetale, ceramika
laserowa obróbka cieplna : stal węglowa i narzędziowa,
ablacja laserowa : poliery, metale trudnotopliwe,
stopowanie laserowe : jako dodatki stopowe : stopy metali, węgliki, azotki, borki, stellity,
napawanie : mat. Metalowe i cermetale,
znakowanie : tworzywa sztuczne, metale, ceramika,
cięcie laserowe : metale, tworzywa sztuczne, drewno, szkło

1. Omów zjawisko krystalizacji stopów metali w procesie laserowej obróbki powierzchniowej

Promieniowanie laserowe szybko nagrzewa warstwy wierzchnie materiału. Na granicy przetopionego obszaru i podłoża powstaje duży gradient temperatury powodujący powstanie w ciekłym materiale ruchów konwekcyjnych, które intensywnie mieszają ciecz. Oprócz tego mieszanie materiału wzmacnia również mocny nadmuch gazów stosowanych w czasie procesu. Duża różnica temperatury między powierzchnią i dnem obszaru przetopionego przyspiesza krzepnięcie cieczy. Szybkość chłodzenia (ok 1011˚C/s) determinuje dużą prędkość krystalizacji.

Przy zapewnieniu dużych szybkości chłodzenia lepkość ciekłego metalu w niektórych stopach wzrasta tak, że stop nie krystalizuje. Krzepnie on w sposób nieuporządkowany, tworząc bezpostaciowy stop o cechach masy szklanej.

W obrębie roztopionej strefy występują różne warunki tj. różna szybkość chłodzenia i stopień przechłodzenia, co wpływa na strukturę zakrzepłego materiału.