Особенности лазерной резки различных пластиков

Одной из самых современных технологий нарезания изделий сложной формы является лазерная резка. Особенно удобно применять лазер при резке сыпучих, ломких и хрупких материалов, одним из которых является пластик. Применяется лазерная резка пластика, чаще всего, при изготовлении рекламной продукции с применением объемных букв, товарных логотипов и других декоративных элементов, служащих для привлечения внимания потенциальных клиентов. Качество различных указателей, бейджиков, офисных табличек, изготовленных с применением лазерной резки пластика, на порядок выше, чем у тех же рекламных изделий, сделанных традиционными способами.

Лазерная резка полимерных и композиционных материалов широко используется в технологических процессах изготовления изделий. Использование лазерного излучения (ЛИ) позволяет решать сложные технические задачи, автоматизировать технологические процессы, значительно повысить производительность и качество изделий.

 Лазерная резка оргстекла, ПВХ, ПЭТа, полистирола и многих других материалов имеет важную особенность- это финишная операция. После лазерной резки не требуется обрабатывать поверхность реза. Лазерный луч прорезая материал например  оргстекло  оплавляет поверхность, что придает ей красивый полированный вид. В настоящее время альтернатива литью под давлением в пресс-формы для изготовления подставок, материалов  - это технология лазерного раскроя материалов. По сравнению с литьем, лазерный раскрой выгоден при изготовлении пилотных образцов, небольших и средних партий. В отличие от фрезеровки - лазерная резка  - быстрая операция. Особенно это проявляется на тонких и гибких материалах, фрезерование которых сопряжено с определенными трудностями. Эффективность лазерного разрушения полимерных материалов зависит от количества поглощенной энергии при определенной плотности мощности. При действии ИК лазерного излучения (СО2 - , СО – лазеры) на полимеры и композиты происходит поверхностное поглощение энергии, глубина слоя составляет от долей до десятков микрометров и зависит от состава полимера и композита. Время релаксации лазерной энергии в тепло в полимерных материалах составляет 10-12 - 10-3 с, что является высокоинтенсивным источником нагрева.

В основе лазерной резки лежит термическое воздействие на материал поглощенного лазерного излучения. При падении лазерного излучения на материал эффективность использования энергии лазерного пучка зависит от свойств поверхности материала, в частности от коэффициента отражения. Коэффициент отражения представляет собой отношение интенсивности отраженной световой волны к интенсивности падающего лазерного пучка и определяется оптическими характеристиками материала и состоянием поверхности. На практике часто пользуются термином коэффициент поглощения, который характеризует поглощение материалом излучения с определенной длиной волны. Коэффициент поглощения полимеров для ИК – излучения (5-15 мкм) лежит в пределе 0,98 – 0,86, а для видимого и ближнего ИК диапазона (~ 1мкм) эти значения ниже. В отличие от металлов, в которых поглощение излучения происходит у поверхности в скин-слое толщиной порядка 10-9 м, толщина поглощающего слоя у полимерных материалов гораздо больше, т.е. во многих случаях лазерный нагрев можно считать объемным.

Механизмы поглощения излучения в полимерах достаточно сложны и могут существенно отличаться в разных спектральных диапазонах. Это обстоятельство затрудняет определить параметры лазерной резки полимера расчетным путем. Только накопленные экспериментальные данные позволяют с некоторой точностью выбирать параметры лазерной резки.

Лазерная резка полимерных и композиционных материалов широко используется в технологических процессах изготовления изделий. Использование лазерного излучения (ЛИ) позволяет решать сложные технические задачи, автоматизировать технологические процессы, значительно повысить производительность и качество изделий.  В основе процесса лазерной резки полимеров и композитов лежат термохимические и термофизические механизмы разрушения материалов. Энергия лазерного излучения поглощается материалами, преобразуется в тепло, которое вызывает быстрый нагрев и разрушение материала.

 Процессы разрушения полимеров под лазерным излучением имеют отличительные особенности, по сравнению с металлами. Кинетика и механизм лазерного разрушения полимерных материалов зависят от их строения и сильно различаются, что создает определенные сложности в обобщении фактов процесса разрушения полимеров. 

 Полимеры подразделяются на три категории в зависимости от поведения их при лазерном воздействии:

• А) полимеры, которые плавятся и разбрызгиваются; 

• Б) полимеры, образующие на поверхности слой угля;

 В группу А входят в основном термопластические полимеры: полиэтилен, полипропилен, полиэтилен – сукцинат, нейлон, капрон, полистирол, полиметилметакрилат (ПММА).

 К группе Б относятся, прежде всего, ароматические термоактивные полимеры (полибензимидазол, полицианураты, полифенилены), а также некоторые термопласты (полифениленоксид, полифенилхиноксалин, полиарилат и др.); поликарбонат (ПК); полифторхлорэтилен (ПТФХЭ).

К группе В принадлежат полимеры: политетрафторэтилен (ПТФЭ), полиметилстирол, полиэтилметакрилат, а также ПММА и ПС.

Сложность выбора технологических режимов лазерной резки неметаллических композиционных материалов состоит в том, что армирующие волокна и связующие имеют разные характеристики, такие как теплопроводность, температуры испарения и плавления, оптические свойства для заданных длин волн и др. Теплопроводность волокна является анизатропическим свойством, тогда как для связующего это объемное свойство.

Результаты экспериментальных исследований по лазерной резке полимерных материалов показали, что различие в теплофизических свойствах у составляющих материал компонентов требует оптимизации энергетических и пространственных параметров лазерного излучения, используемого для резки, а также скорости резки. Для обеспечения высокого качества реза необходимо использовать одномодовое излучение с гауссовым распределением, которое обеспечивает локальность нагрева и разрушение композита.

Изучая действие лазерного излучения с различными длинами волн было установлено, что композиты на основе стеклотканей (Т10+ЭБСМ и др.), органотканей (СВМ+ЭЛУР – 008ПА), углетканей (УТ – 900-30А) можно резать лазерным излучением СО2 - лазера, АИГ – лазера и Си – лазера соответственно 10,6 мкм; 1,06мкм и 0,578 мкм. Необходимо заметить, что качество реза повышается при использовании импульсно-периодического характера излучения.

 Лазерная резка неармированных полимеров имеет свои особенности, которые зависят от теплофизических свойств обрабатываемых материалов: 

Резка вспененных ПВХ пластиков. Торцевая поверхность реза имеет коричневый цвет. Образующиеся в процессе резки пары ПВХ впитываются в пористую поверхность реза, придавая ей темную окраску на некоторую глубину. Увеличение подачи воздуха в зону реза несколько снижает черноту реза, переходящую в светло-коричневую.

Резка акрилового стекла. Оргстекло – это весьма твердый и в тоже время прозрачный термопластический материал, который изначально является бесцветным. Речь идет о высококачественном экструдированном листе. Если сравнивать оргстекло со стеклом, то следует отметить, что по прозрачности оно значительно превосходит. Данный материал обладает так называемой светорассеивающей способностью, к тому же он может быть окрашен в самые разнообразные цвета.

Лист оргстекла считается инертеным по отношению к многочисленным химическим процессам, которые способны вызывать коррозию. Он к тому же является практически идеальным пластическим материалом по реакции на всевозможные погодные условия, а также по стойкости к воздействию световых лучей.

В связи с тем, что оргстекло является очень прочным материалом, его можно применять в различных наружных решениях. Этот материал можно сверлить, штамповать, формовать. Но самое главное можно фигурно резать такой технологией как лазерная резка, причем кромка реза остается гладкой и прозрачной.

Резка полистирола. При резке полистирола преобладают процессы плавления. Если в зону резки подается сжатый воздух при небольшом давлении, то на нижней поверхности реза образуется, облой. При увеличении давления облой, уменьшается, но образуются нитевидные продукты разрушения, выдуваемые из зоны резки. Скорость резки полистирола несколько меньше чем у акрилового стекла. 

Представленный краткий анализ видов полимерных материалов и композитов, показывает сложность механизма разрушения при лазерном воздействии. Оптимальные параметры лазерной резки этих материалов зависят как от структуры материалов, так и от метода их получения, от состава. Выбор обработки зависит от оптических свойств полимеров.