XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Физические процессы при работе лазерного станка

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Горбунова Е.Д. 1

---

1МАОУ "Голышмановская СОШ № 4"

Кузьминых И.Г. 1

---

1МАОУ "Голышмановская СОШ № 4"

Работа в формате PDF

1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Трудно представить область деятельности человека, в которой не использовались бы лазеры: наука, медицина, техника, сельское хозяйство. Так, например, при производстве сотового телефона, используется более десяти различных лазерных технологий. Одним из применений лазеров является обработка материалов: металла, дерева, пластика, бетона.

На настоящий момент проведено большое количество исследований по применению лазеров для обработки различных материалов, собран опыт использования лазерной техники на производствах, выделены главные направления научных исследований лазерных технологий[1].

Лазерные станки – продукт высокой технологии. Преимущества обработки лазеров: точность, бесшумность, высокая скорость работы, отсутствие необходимости предварительной обработки материалов, широкий диапазон применения. В основе работы станка лежат физические процессы[2].

В школьной лаборатории есть лазерный станок и его используют для изготовления творческих поделок. Мы решили выяснить, как работает лазер и исследовать параметры, влияющие на его работу.

Цель: изучить принципы работы, существующие преимущества и недостатки лазерного станка для гравировки и резки, как лазерную технологию.

Задачи:

1.Изучить физические процессы, происходящие в лазере.

2.Освоить программы по гравировке и резке на лазерном станке.

3. Исследовать процессы, происходящие при резке и гравировке.

4.Исследовать параметры лазера, влияющие на его работу, с точки зрения физики.

Проблема. Лазерный станок используется в прикладном творчестве. Физические процессы, происходящие при резке и гравировке, не рассматриваются и не систематизированы. Отсюда школьники, работающие на станке, не понимают всю технологичность процесса.

Актуальность работызаключается в том, что лазерные технологии не полностью изучены. Чем быстрее человек поймет и освоит лазерный станок, тем больше шансов у него стать востребованным и успешным.

Используемые методы: анализ литературы, систематизация материала, разработка макета атомной станции, сборка устройства.

Основная часть

Общая характеристика лазерных технологий

В настоящее время применение лазерных технологий в приборостроительном производстве чрезвычайно разнообразно. В некоторых случаях лучевые технологии находятся вне конкуренции, так как с помощью лазеров можно получить технические и экономические результаты, которых нельзя достичь другими техническими средствами[3].

Объект исследования: лазерный станок для резки и гравировки.

Предмет исследования: физические процессы в лазерном станке.

Гипотеза: лазерный станок для гравировки и резки - это инновационный станок с бесконечным потенциалом для практической деятельности, в основе которого лежат физические процессы.

Методы исследования: систематизация и анализ собранной информации, эксперимент.

Гипотеза.Физические законы объясняют гравировку и резку лазерного станка. При работе лазерного станка по дереву выделяются вредные вещества.

Практическая значимость заключается в том, что исследование работы лазерного станка позволит информировать людей, занимающихся обработкой дерева и освоить одну из инновационных технологий. Материалы исследования могут найти применение на уроках информатики, технологии, физики. Результаты экспериментов будут использованы в дальнейших исследованиях по применению современных технологий.

Потенциальные потребители исследования – школьники, мастера, занимающиеся резьбой по дереву.

Газовый лазер

Лазерная технология новая область в науке появилась в начале 1960-х годов с изобретением первых лазеров.

Это изобретение открыло новую страницу в изучении взаимодействия света с веществом и превращения одной энергии в другую [4].

В школьной лаборатории имеется лазерный станок, который работает на основе лазера с газовым активным элементом (английский Gas laser) [2]. Разновидностями газового лазера являются химические газовые лазеры и газодинамические лазеры. Газовые лазеры легки в эксплуатации и относительно дешевые и нашли широкое распространение в промышленной резке материалов. Газовый лазер состоит из герметичной трубки с газообразным рабочим телом и оптического резонатора. С помощью электрических разрядов в газе происходит накачка энергии в активную среду лазера (рисунок 1, приложение)[3]. Электроны, ударяясь с атомами, переводят их в возбуждённое состояние, при этом излучаются фотоны. Оптический резонатор (зеркала на торцах трубки) определяет направление излучения.

Часть фотонов выводится из лазера через полупрозрачное зеркало (таблица 1) [5]. Другая часть отражается обратно внутрь лазера для вынужденного излучения.

Таблица 1.

Технические характеристики газового лазера

Лазерная установка состоит:

1. Станок лазерной гравировки и резки выдает мощность 80Вт.

2. Чиллер – устройство для охлаждения трубки лазера. При работе станка он нормализует температуру устройства, через циркуляцию воды по оболочке, которая подключается к насосу. Вместимость чиллера 5 литров воды.

3. Система обдува гравера и резака необходима для снижения температуры места выжигания и среза, помогает снизить обугливания шва[4] (фото 1, приложение).

Для гравировки или резки фанеры нужно создать векторный рисунок в программе Laser Drow или скачать эскиз графического рисунка в Интернете, загрузить в станок, создать программу работы, выбрать режим работы, скорость, мощность и загрузить в станок.

Достоинства лазера – высокая плотность энергии и технологичность, то есть смена параметром работы. При работе необходимо регулировать высоту лазерной головки, в нашем случае она составляет 5 миллиметра (фото 2, приложение).

Физические процессы, происходящие при лазерной технологии

Лазерный луч - это источник света с совершенно уникальными свойствами. Он практически не рассеивается, может излучаться на дальние расстояния, возвращаясь обратно. Также у лазера очень большая теплота, что позволяет ему резать материал, через который он проходит. Температура, до которой нагревается объект, определяется плотностью поглощенной мощности излучения, которая зависит от мощности излучения, ее распределения по облучаемой поверхности и поглощательной способности объекта.

Другим преимуществом лазеров является то, что лазеры – мощные источники света, превосходящие даже солнце (мощность излучения лазера 1017 Вт/см², а солнца 7*10³ Вт/см²)

Длину волны лазерного излучения выбирают так, чтобы обеспечить максимальное поглощение излучения веществом. При использовании импульсных лазеров длительность воздействия определяется длительностью импульса излучения[6].

Принципы работы лазера основаны на свойствах лазерного излучения: монохроматичности и высокой когерентности.

Большинство применений лазеров основано на тепловом воздействии света. Лазеры нагревают материал до температуры, когда в нем происходят физические процессы: изменение фазового состояния и структуры, физические переходы – плавление, испарение, сублимация [4]. В зоне обработки материал плавится, испаряется, горит. При относительно большой мощности (и/или небольшой толщине материала), лазерный луч режет материал[4]. При меньшей мощности лазер оставляет на поверхности гравировку.

Нагревание - процесс повышения температуры тела или материала, который происходит за счёт изменения внутренней энергии или при подведении к телу энергии.

Плавление - фазовый переход твердого кристаллического вещества в жидкое состояние. 

Сгорание - физико-химический процесс перехода веществ в продукты сгорания, при выделении тепла.

Сублимация - процесс перехода вещества твердого состояние вещества в газообразное. 

Обработка материалов

Преимущества над традиционной обработкой сделали лазеры крайне востребованными для резки, сверления, сварки, твёрдой и мягкой пайки, маркировки, гравировки, плакирования, агломерирования и обработки поверхностей [4].

Лазерная гравировка

Лазерная гравировка, процесс, при котором происходит удаление материала с верхней поверхности до заданной глубины. Меняя мощность лазера, гравировку можно использовать для нанесения фотографий, текстур, информации в виде цифр и текста. Термическое воздействие на материал частично разрушает его, это происходит за счет формирования плазмы. Однако при этом фанера не плавится, а выгорает[7].

При гравировке, лазер движется по фанере и выжигает поверхность тонкой линией, затем возвращается и проходит снова слой, расстояние между нанесением линий лазера, регулируется. Скорость лазера мы установили 400 мм/с, мощность 50 %, но меняли интервал между прохождением лазера. Мы меняли интервал от 0, 06 мм до 0, 1 мм.

В результате эксперимента выяснили, что качество гравировки зависит от расстояния и величины букв. Чем меньше интервал, тем больше глубина прорезания лучом (фото 3, приложение). Но получаемая фактура материала зависит и от рисунка. Если гравировать фотографию, рисунок, на котором много мелких деталей, то устанавливать интервал нужно 0, 1 мм, так картина получается объемнее (фото 4, приложение).

Если на фотографии или рисунке крупные детали, то выбрать надо интервал 0,06 мм, качество изделия будет лучше (фото 5, приложение).

Мы исследовали работу лазерной гравировки в зависимости от мощности, и выяснили, что чем больше мощность, тем процесс плавления идет быстрее и глубже прожигание, что подтверждается физической теорией (фото 6, приложение).

Лазерная резка

Резка производится только по векторной графике (фото 7, приложение). Остальная часть графики выполняется гравером. Лазерные станки не читают серые тона, они видят только черные и белые цвета.

Определяющим параметром является мощность лазера. Работа лазера зависит от толщины и структуры фанеры [8].

Если увеличить температуру, то увеличивается ширина реза. При резке, мы устанавливаем мощность 80 %, и скорость 15 мм/с. Так как фанера при работе устанавливается на металлической подставке, луч лазера прожигает фанеру и нагревает металл, тот в свою очередь обладает большой теплопроводностью, и отдает тепло фанере. Если установить лист не ровно, то лазер будет прожигать фанеру неравномерно, нагревать воздух, и фанера не прорежется полностью. Поэтому следует выбирать ровные листы (фото 8- 9, приложение)

Для повышения контрастности изображения иногда поверхность древесины покрывается специальным составом[9].

Выброс газа и частиц

При взаимодействии лазера с материалом всегда образуются выбросы газов и/или частиц. При обработке древесины с помощью CO₂-лазера образуются пары, содержащие монооксид углерода (угарный газ), акролеин и формальдегид, — в первую очередь от воспламеняющихся целлюлозных соединений. Также образуются другие продукты с высокой температурой кипения и частицы, получающиеся при неполном сгорании лигнинов. Отходы при обработке древесины следует направлять во внешнюю среду. В качестве альтернативы они могут сначала обрабатываться системой фильтрации, а затем выводиться во внешнюю среду. Мы решили провести эксперимент.

Фанера – это прочные, многослойные древесные листы, склеенный друг с другом водостойким клеем. Фанера в нашей работе толщиной – 5 миллиметров.

С помощью сфокусированного лазерного луча за счет нагрева материала происходит резка. Материал плавится, его удаляют с помощью струи газа[10].

При гравировке и резке фанеры выделяется дым и газ. Мы исследовали количество выделяемого газа и его химический состав (фото 10, приложение).

Исследование проводили с помощью датчика газа MQ-2. Это датчик газа и дыма определяет концентрации в воздухе LPG (сжиженного нефтяного газа), метана, угарного газа, дыма, пропана, водорода. Измерение концентрации газа датчика от 200 до 10000 ррm. Норма считается от 200 до 400 ррm.Также измерили температуру помещения и температуру чиллера. В школе установлена система вытяжки, и дым ощущается возле самого станка. Мы измерили показатели угарного газа до работы станка, он составил - 340 ррm. (фото 11, приложение).

Включили станок на гравировку и резку, закрыли окна и двери, и после 15 минут работы станка измерили показатели помещения. Затем измерили показатели.

Начальные показатели – 338 ррm, при работе первой минуты работы - 539 ррm, затем стали снижаться, 351 ррm, 342 ррm (фото 12-13, приложение).

Температура помещения не изменилась, а чиллер нагрелся до 29 градусов (фото 14, приложение).

При работе станка датчик уловил угарный газ, который выделяется при сжигании дерева. Пропан, водород, метан и угарный газ выше нормы на 60 % в течение 1 минуты работы лазера, затем показатели снижаются, и становятся выше нормы на 10 %. Вытяжка выводит дым и частицы на улицу.

Можно сделать вывод, что при работе станка выделяется угарный газ и мелкие частички древесины. До установления вытяжки через 10 минут работы станка запах сожженной древесины ощущался во всей школе. После установления вытяжки станок работает более часа с перерывами и воздух в кабинете чистый.

Результаты

В результате исследования мы изучили физические процессы, происходящие при работе лазерного станка; нагревание, плавление, сгорание, сублимацию.

Основные параметры работы лазера: мощность излучения, скорость лазерного луча, интервал прохождения.

Проведенное исследование позволит поделиться информацией с окружающими и дать им возможность применить свои силы в новых инновационных технологиях. Материалы исследования могут найти применение на уроках информатики, технологии, физики.

Люди сейчас внедряют новые технологии, занимаются творчеством, но не все знают технологию работы станка.

Мы изучили работу лазерного станка, физические процессы, происходящие при его работе, проверили его на безопасность.

При взаимодействии лазера с материалом происходят выбросы газов и частиц. При обработке древесины с помощью CO₂-лазера образуются пары, содержащие монооксид углерода (угарный газ), акролеин и формальдегид, — в первую очередь от воспламеняющихся целлюлозных соединений.

Разработанные и сделанные модели резки и гравировки, позволяют их применять для демонстрации возможностей станка для практической реализации (фото 15, приложение). Сейчас лазерный станок используют не только для творчества, но и для заработка. Например, гравировкой украшают подарки, брелки, бытовые и хозяйственные приборы. Физические процессы, которые рассмотрели при работе лазерного станка: нагревание, сгорание, выделение тепла, охлаждение. Образуется плазма и учитывается теплопроводность материала.

Потенциальные потребители исследования – школьники, мастера, занимающиеся резьбой по дереву.

Выводы

Лазеры всегда использовались в исследованиях в области физики, астрономии, биологии, химии, машиностроения.

Гипотеза, выдвинутая нами, подтвердилась - лазерный станок для гравировки и резки - это инновационный станок с бесконечным потенциалом для практической деятельности, в основе которого лежат физические процессы.

На скорость гравировки влияет мощность лазера. Чем она выше, тем быстрее выполняется процесс, при этом увеличивается область потемнения по краям. Чем она ниже, тем глубина резки будет больше, и можно использовать фанеру большой толщины.

Средняя мощность лазерной гравировки составляет около 50 %. Она напрямую зависит от толщины фанеры и сложности узора, также параметром установки является интервал прохождения лазера. Чем сложнее рисунок, тем интервал должен быть меньше.

При резке фанеры, необходимо больше энергии, мощность достигает 80 %, а скорость резки 15 мм/с. Тепло, производимое лазерным лучом, растапливает поверхность, газ вступает в экзотермическую реакцию с подставкой и создает дополнительный источник нагрева для формирования оксидного слоя или шлака. Газовая струя выбрасывает шлак с нижней поверхности и образуется вырезанный пропил.

Лазер - пучок света высокой мощности. При воздействии лазера на изделие из дерева, участок сильно нагревается, и волокна материала выгорают.

При работе лазера выделяется шлак, дым и газ. Проведя исследование, мы обнаружили превышение угарного газа воздуха на 60 % в первую минуту, затем снижение концентрации до 10 %. Газ и дым следует удалять вытяжкой, нужна вентиляция. Также повышается температура лазера.

Преимущества лазерного станка: края получаются идеально ровными, можно обрабатывать изделия любого размера и формы, устройство просты в ручном и автоматическом управлении, создает мало шума.

Недостатки: сложность создания векторных рисунков, перевод в программу лазерной обработки, выброс дыма, газа и мелких частиц, материал для работы должен быть идеально ровным.

Работа лазерного станка основана на физических процессах. Мы изучили работу лазерного станка, физические процессы, проверили безопасность его работы, разработали и создали модели резки и гравировки.

Список использованных источников и литературы

1. Мэйтленд, А., Дан, М. Введение в физику лазеров / А. Мэйтленд, М. Дан. – Москва Наука, 1978. – 407 с.

2. Данилин, И.М., Сведа, Т. Лазерное профилирование. / И.М. Данилин, Т. Сведа.- Лесоведение, 2001. № 6. – С. 64–69.

3. Звелто, О. Принципы лазеров / О. Звелто. – Москва. Мир, 2000. – 558 с.

4. Рыкалин, Н.Н., Углов, А.А., Кокора, А.Н. Лазерная обработка материалов. /Н.Н. Рыкалин, А.А. Углов, А.Н. Кокора. - Москва Машиностроение, 2010. - 296 с.

5. Тарасов, Л.В. Физика процессов в генераторах когерентного оптического излучения. / Л.В. Тарасов. – Москва, 2020 – 200 с.

6. Харанжевский, Е.В., Кривилёв, М.Д. Физика лазеров, лазерные технологии и методы математического моделирования лазерного воздействия на вещество. /Е.В. Харанжевский, М. Д. Кривилёв. - Удмуртский университет, 2011. - 187с.

7. Лазерные технологии в оптике и технике./ [Электронный ресурс]. Режим доступа:

file:///C:/Users/User/Desktop/04-лазерные-технологии-технологии-оптики-и-фотоники.pdf.дата обращения: 04.12.2023

8. Физика лазеров./ [Электронный ресурс]. Режим доступа: file:///C:/Users/User/Desktop/20117-8.pdf. дата обращения: 05.01.2024

9. Принцип работы лазерного гравировального станка. /[Электронный ресурс]. Режим доступа:https://infolaser.ru/stati/princip-raboty-lazernogo-gravirovalnogo-stanka/. дата обращения: 08.01.2024

10. Основы лазерной резки./ [Электронный ресурс]. Режим доступа:https://lasertop.ru/2020/09/10/osnovy-lazernoj-rezki/. дата обращения: 18.02.2024

Приложение

Рисунок 1. Схема работы лазера.

Фото 1. Обугливания шва. Фото 2. Регулировка высоты лазера.

Фото 3. Интервалы гравировки.

Фото 4. Интервал гравировки 0, 1 мм. Фото 5. Интервал гравировки 0,06 мм.

Фото 6. Увеличение мощности. Фото 7. Увеличение мощности.

Фото 8. Дефект резки. Фото 9. Дефект резки.

Фото 10. Эксперимент с датчиком газа. Фото 11. Показатели в норме.

Фото 12. Показатели газа в максимальной фазе.

Фото 13. Показатели газа снижаются.

Фото 14. Температура чиллера.

Фото 15. Модель парка.