СПОСОБ СОЗДАНИЯ СВЕТОРАССЕИВАЮЩЕЙ СТРУКТУРЫ ВНУТРИ СЛОЯ ЛИСТОВОГО ПММА ПРИ ПОМОЩИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С СОХРАНЕНИЕМ ЦЕЛОСТНОСТИ ПОВЕРХНОСТИ

СПОСОБ СОЗДАНИЯ СВЕТОРАССЕИВАЮЩЕЙ СТРУКТУРЫ ВНУТРИ СЛОЯ ЛИСТОВОГО ПММА ПРИ ПОМОЩИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С СОХРАНЕНИЕМ ЦЕЛОСТНОСТИ ПОВЕРХНОСТИ

Щукарёв Данила Андреевич

независимый исследователь, специалист по направлению «Лазерные системы», основатель студии обработки материалов «РАЗУМ»,

РФ, г. Самара

АННОТАЦИЯ

Предложенный метод относится к теме лазерной обработки материалов с целью модификации их свойств и придания новых эксплуатационных характеристик.

Описываемая технология позволяет сформировать светорассеивающую структуру заданной формы внутри слоя листового полиметилметакрилата (оргстекла). При подсветке данного материала в торец свет беспрепятственно проходит через необработанную часть, но активно преломляется и рассеивается на обработанной части. Таким образом достигается эффект свечения нужного участка на прозрачном фоне. Поверхность оргстекла при этом остаётся неповреждённой с обеих сторон, что позволяет защитить обработанную область от загрязнений и прочих негативных воздействий окружающей среды.

Ключевые слова: лазерная обработка, рассеивание света, полиметилметакрилат (ПММА), структура, преднамеренное локальное разрушение материала, целостность поверхностного слоя.

Введение

Формирование на листовом материале контрастного по отношению к фону изображения или текста является основным методом визуализации информации, применяемым при навигации в городской среде, экстерьере и интерьере помещений, приборостроении, машиностроении, дизайне и многих других отраслях. В отдельных случаях появляется необходимость нанесения информации на прозрачный фон, для сохранения возможности визуального контроля объектов, находящихся за слоем материала. В данной работе предложен метод создания светорассеивающей структуры определённой формы внутри слоя прозрачного листового материала, что позволяет визуализировать необходимую информацию, сохранив при этом возможность наблюдать объекты, находящиеся за фоном. Отдельным плюсом данной технологии является возможность ввести подсветку в торец листа оргстекла и получить таким образом повышенную визуальную считываемость информации, нанесённой описываемым методом.

Методика проведения эксперимента

В качестве исходного обрабатываемого материала использовался листовой экструзионный полиметилметакрилат (оргстекло), толщиной от 2 до 4 мм.

Воздействие лазерным излучением производилось на системе прецизионной лазерной маркировки на базе волоконного лазера с твердотельным элементом и диодной системой накачки. Длина волны генерируемого излучения - 1,064 мкм. Максимальная мощность источника - 20 Вт. Максимальная энергия в импульсе - 1,0 мДж. Длительность импульса - 100 нс. Частота повторения импульсов - 20-100 кГц.

Все испытания проводились в обычных атмосферных условиях, без создания стерильности и специальных температурных показателей в зоне обработки.

Полученная структура изучалась при помощи микроскопов со значением увеличения от 60 до 120, либо визуально при подсветке в торец (для определения степени равномерности создания преднамеренных локальных разрушений материала).

Эффективность лазерной обработки в значительной степени определяется поглощательной способностью материала [1]. В данной работе воздействию лазерного излучения подвергается органическое стекло (полиметилметакрилат). Это полимерный термопластический органический материал, находящийся в нормальных условиях в аморфном стеклообразном состоянии. Причём он имеет прозрачность в видимой и ближней ИК области спектра [2], к которой и относится излучение твердотельного лазера с длиной волны 1,064 мкм. То есть, теоретически, излучение с такой длиной волны должно пропускаться данным материалом без поглощения. Но на практике мы наблюдаем взаимодействие материала с излучением, его частичное поглощение и, как следствие, локальное разрушение материала.

Результат взаимодействия полиметилметакрилата с лазерным излучением на специально подобранных режимах представлен на рисунке 1.

а                                                         б

в                                                         г

Рисунок 1. Фотографии поверхности оргстекла после воздействия на него лазерного излучения с определёнными характеристиками: а - без увеличения; б - увеличение х20; в - увеличение х60; г - увеличение х120

Основные параметры лазерной установки, которые играют существенную роль для данного эксперимента – это мощность излучателя, тип излучателя и характеристики фокусирующей линзы. Также решающее значение имеют настраиваемые параметры генерируемого излучения, такие как: частота излучения, его мощность, скорость перемещения луча (регулируется работой сканаторной системы) и местоположение перетяжки пучка относительно поверхности обрабатываемого материала. Длительность импульса в данном конкретном случае была неизменна, но варьирование этого параметра также может оказать положительный эффект на качество получаемой структуры.

При оптимальном соотношении всех вышеуказанных параметров достигается такой вариант взаимодействия излучения с материалом, при котором внутри слоя оргстекла происходят микровзрывы с выбросом продуктов горения в произвольном направлении и образовании локального разрушения материала (направленная трещина или скол в форме окружности). Размер этих элементов довольно постоянен и составляет около 25 мкм, но в некоторых случаях доходит до 100 мкм и больше.

Из-за отсутствия доступа кислорода к месту образования разрушения не происходит процесса открытого горения. Поэтому сколы и трещины выглядят матово-белыми. А при попадании на них света, отражают его часть, за счёт чего и создаётся эффект свечения обработанной области.

При воздействии лазерным излучением на поверхность материала максимальная энергия концентрируется в точке фокуса. Сфокусированный пучок имеет перетяжку, т.е. минимальный диаметр, интенсивность излучения в пределах которого не падает ниже определённого значения от максимально возможного (при распределении интенсивности по закону Гаусса) [3]. После прохождения точки фокуса как в одну, так и в другую сторону, лазерное излучение расходится. Причём, чем меньше диаметр перетяжки, тем больше угол расхождения и меньше длина перетяжки (рисунок 2). Вот почему важную роль в данном эксперименте играет размер фокусирующей линзы.

Рисунок 2. Схема фокусировки лазерного пучка, где: dп - диаметр перетяжки; ZR - длина перетяжки, на которой площадь пятна перетяжки удваивается; ω - угол расхождения пучка

Результаты и их обсуждение

Таким образом, мы делаем вывод, что, располагая точку фокуса на различных уровнях внутри слоя материала, можно получить различную интенсивность образования интересующей нас светорассеивающей структуры. Также будет отличаться качество создаваемой структуры. Но полиметилметакрилат является оптически прозрачным для применяемой длины волны (коэффициент пропускания видимого спектра составляет 92%), и в точке фокуса, располагаемой на поверхности, не происходит испарения материала, и поверхностный слой остаётся неповреждённым. Пройдя дальше, в глубину материала, лазерное излучение распространяется по изменённой траектории из-за разницы плотности оргстекла и воздушной среды. В определённых точках происходит перегрев вещества с его расширением, но без испарения и, так как возникающее напряжение не может быть скомпенсировано, оно реализуется в локальном разрушении внутри материала.

Соответственно, одна из главных задач проводимого исследования заключается в том, чтобы сместить область распространения локального разрушения от поверхности материала в его внутренний слой и добиться равномерности образования данных разрушений.

Также в ходе эксперимента стало понятно, что есть прямая зависимость между частотой расположения линий траектории перемещения лазерного луча и плотностью образовавшейся структуры. Данный параметр называется плотностью заливки и выражается в количестве линий на 1 мм. На рисунке 3 приведена зависимость плотности образования преднамеренных локальных разрушений материала от изменения некоторых настраиваемых параметров излучения.

Рисунок 3. График зависимости плотности светорассеивающей структуры от: 1 - изменения скорости сканаторной системы; 2 - изменения плотности заливки; 3 - изменения мощности излучения

При неправильном расположении точки фокуса или отклонении параметров излучения от оптимальных, можно столкнуться с критическим разрушением материала, пробоем поверхностного слоя, локальным воспламенением, помутнением внутри структуры и другими паразитными явлениями.

Заключение

Создание качественной и однородной светорассеивающей структуры внутри листового оргстекла может иметь ряд уникальных декоративных и промышленных применений. Данная технология является довольно эффективной (благодаря применению твердотельного лазера [4]) и недорогой, что позволяет использовать её для производства серийных изделий. Получаемые изделия будут сохранять свои свойства на протяжении всего срока эксплуатации, т.к. внутренняя структура защищена от внешних воздействий неразрушенным поверхностным слоем.

Безусловно, необходимо продолжить исследование данного явления с целью стабилизации получаемой структуры и повышения повторяемости результатов.

По итогам проведённой работы для исследуемого эффекта автором предложено название “бриллиантовая гравировка”.

Список литературы:

1. Григорьянц А.Г. Основы лазерной обработки материалов. Москва, 1989
2. Вильчинская С.С. Оптические материалы и технологии. Томск, 2011
3. Заказнов Н. П. Теория оптических систем. 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 1992
4. Чижиков В.И. Твердотельные лазеры с диодной накачкой // Соровский образовательный журнал. Том № 7. 2001.