СПОСОБ ЛАЗЕРНОГО ГРАВИРОВАНИЯ Российский патент 1997 года по МПК B23K26/00 

Изобретение относится к методам формирования на поверхности материалов выпуклых элементов, отверстий с помощью лазерного излучения и может найти применение при изготовлении печатных форм.

Известен способ лазерной гравировки [1] при котором на обрабатываемую поверхность направляют сфокусированное лазерное излучение с заданной длиной волны и перетяжкой, заглубляя последнюю в материал, причем длину волны излучения выбирают из условия объемного поглощения его энергии материалом заготовки, а перетяжку заглубляют на величину, определяемую теплофизическими свойствами материала, шириной знака и мощностью излучения. Скорость контурного перемещения луча по рисунку определяется необходимой величиной энергии для переработки материала изделия вдоль единичной его длины. Недостатком известного способа является невысокое качество изготовления элементов формируемых знаков с выпуклой поверхностью. Кроме того, отсутствует возможность управления процессом формирования заданного профиля элементов знака, что необходимо при создании, например, износостойких печатных форм, когда требуется, чтобы выпуклые элементы знака имели пологий профиль. При применении же рассматриваемого способа профиль формируемого выпуклого элемента имеет большую крутизну, что приводит к разрушению элемента при продолжительном использовании печатной формы. Также печатающие выпуклые элементы имеют малую жесткость в направлении, параллельном поверхности материала, поэтому при изготовлении оттиска из-за боковых нагрузок возможно смещение деталей изображения.

Наиболее близким к предлагаемому является способ формирования отверстий в полимерных материалах различной формы и размеров [2] Непрерывный лазерный пучок фокусируют, создавая высокую плотность энергии, и сканируют по поверхности материала заготовки для того, чтобы захватить всю область материала, где формируется отверстие. Плотность энергии излучения лазера должна быть такой, чтобы обеспечить удаление слоя материала, не разрушая близлежащие участки. Таким образом, за каждый шаг сканирования удаляется небольшое количество материала. Выходной мощностью лазера и сканированием лазерного пучка управляют с помощью компьютера. Рассматриваемый способ не позволяет проводить обработку материала с высокой скоростью, особенно в случае больших объемов удаляемого материала. Процесс обработки предусматривает постепенное удаление материала малыми порциями, поэтому при большой глубине профиля формируемого элемента рисунка требуется длительное сканирование лазерным пучком по поверхности изделия.

Изобретение направлено на увеличение скорости обработки материалов с помощью лазерного излучения при одновременном обеспечении высокой точности формирования контура и профиля рисунка.

Указанная цель достигается тем, что пространство между элементами рисунка условно разделяют на две зоны поверхностную, где контур каждого элемента и его профиль должны быть точно сформированы, и глубинную, где не предъявляется высоких требований к точности изготовления профиля элемента рисунка. Поток лазерного излучения модулируют по времени. При удалении материала из поверхностной зоны пространства между выпуклыми элементами рисунка осуществляют сканирование сфокусированным лазерным пучком, причем мощность излучения, диаметр перетяжки и скорость перемещения лазерного пучка выбирают такой, чтобы за один проход удалялся слой материала, глубина которого соответствует требуемой точности формирования контура и профиля элемента рисунка. При обработке глубинной зоны увеличивают мощность лазерного излучения, и скорость перемещения лазерного пучка. Таким образом, обеспечивается высокое качество формирования элементов рисунка, поскольку обработка их контуров выполняется лазерным пучком рисунка. В то же время общее время обработки изделия сокращается за счет ускорения процесса удаления материала из глубинной зоны пространства между элементами рисунка. Управление выходной мощностью лазера, модуляцией потока излучения по времени и скоростью и параметрами сканирования осуществляют с помощью ЭВМ.

На фиг. 1,а-в поэтапно изображен процесс удаления материала из пространства между выпуклыми элементами рисунка; на фиг. 2 схема устройства, реализующего предлагаемый способ лазерного гравирования применительно к изготовлению печатных форм: 1 заготовка; 2 оптическая система фокусировки лазерного пучка; 3 лазер; 4 подвижная каретка; 5, 7 двигатели; 6 винт; 8 барабан; 9 вал; 10 модулятор; 11 управляющая ЭВМ.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. Слой материала заготовки 1, в котором предполагается выполнять обработку, условно разделяют на две зоны (фиг. 1): поверхностную, прилегающую к поверхности заготовки 1, и глубинную. При обработке заготовки в поверхностной зоне необходима максимально возможная точность формирования контуров и профилей элементов рисунка, так как именно от этого зависит качество печатной формы и оттисков с нее. Очевидно, при удалении материала из пространства между элементами рисунка в глубинной зоне допустима более грубая обработка, поскольку точность изготовления глубинных участков выпуклых элементов не влияет на качество получаемых с печатной формы оттисков.

Обработка материала заготовки 1 осуществляется следующим образом. Поток лазерного излучения модулируют по времени, например, с помощью акустооптического модулятора. Лазерный пучок фокусируют с помощью оптической системы 2 и направляют на поверхность обрабатываемого материала заготовки 1. Параметры и характеристики оптической системы 2 и лазерного излучения подбирают такими, чтобы диаметр перетяжки d(фиг. 1,а,б) сфокусированного лазерного пучка соответствовал требуемому разрешению рисунка.

Осуществляют сканирование сфокусированного лазерного пучка по поверхности материала, при этом закон сканирования и закон модулирования потока излучения по времени задаются такими, чтобы сформировать заданные контуры и профили выпуклых элементов рисунка. Скорость v перемещения сфокусированного лазерного пучка относительно заготовки 1 зависит от теплофизических характеристик материала, в частности коэффициента поглощения лазерного излучения, температуры плавления, удельной теплоемкости, температуры возгорания, температуры и удельной теплоты парообразования, а также от мощности лазерного излучения. Скорость перемещения выбирается такой, чтобы при заданной мощности излучения за один проход сфокусированного лазерного пучка глубина слоя удаляемого материала соответствовала требуемой точности формирования контура и профиля элементов рисунка. При этом необходимо, чтобы не происходило разрушения материала в прилегающих к обрабатываемому участках поверхности. Процедуру сканирования повторяют до тех пор, пока из поверхностной зоны пространства между выпуклыми элементами рисунка не будет удален весь материал. Закон модуляции потока лазерного излучения по времени изменяют на каждом шаге сканирования, чтобы сформировать требуемый профиль выпуклых элементов рисунка.

При обработке глубинной зоны пространства между выпуклыми элементами рисунка повышают мощность лазерного излучения, например, путем увеличения диаметра лазерного пучка за счет изменения диаметра диафрагмы или путем повышения мощности накачки. Известно, что в этом случае возрастает расходимость лазерного пучка и, следовательно, увеличивается диаметр перетяжки, обозначенный на фиг. 1,в. Повышение мощности лазерного излучения позволяет увеличить количество удаляемого материала в единицу времени, поэтому становится возможным увеличение скорости перемещения лазерного пучка и толщины слоя удаляемого материала. Измененные значения указанных параметров обработки определяют на основе теплофизических характеристик и мощности лазерного излучения.

Для обеспечения высокого качества формируемого рисунка необходимо четко согласовать все составляющие процесса обработки: сканирование сфокусированного лазерного пучка, модуляцию потока излучения по времени, изменение скорости перемещения сфокусированного лазерного пучка и мощности излучения. Поэтому для управления всеми составляющими процесса обработки используют ЭВМ.

Благодаря увеличению скорости перемещения лазерного пучка и толщины слоя удаляемого материала возрастает скорость обработки изделий при сохранении требуемой точности изготовления контура элементов рисунка.

Наиболее успешно предлагаемый способ может быть применен для повышения производительности обработки материала при создании сложных печатных форм, когда требуется высокая точность изготовления выпуклых элементов рисунка, имеющих заданный профиль поперечного сечения. Для увеличения продолжительности использования печатей и достижения высокого качества оттисков необходимо, чтобы каждый выпуклый элемент рисунка в поперечном сечении имел пологий профиль, что повышает его механическую прочность и, следовательно, препятствует быстрому разрушению и смещению деталей изображения при боковых нагрузках.

Примером реализации предлагаемого способа может служить лазерный гравер для изготовления печатных форм, схема которого представлена на фиг. 2. Обрабатываемая заготовка 1, например из резины, прикреплена к цилиндрическому барабану 8, который вращается с помощью двигателя 7 и вала 9. Лазер 3 и оптическая система фокусировки лазерного пучка 2 размещены на подвижной каретке 4, которая совершает линейные перемещения параллельно оси цилиндрического барабана 8.

Поступательное движение подвижной каретки 4 осуществляется от двигателя 5 с помощью винтового механизма, содержащего винт 6 и закрепленную на подвижной каретке гайку (на фиг. 2 не показана). Изменение скорости перемещения подвижной каретки 4 выполняется путем изменения угловой скорости вращения вала двигателя 5.

Модуляция потока излучения лазера по времени осуществляется с помощью модулятора 10, выполненного, например, в виде акустооптического модулятора.

Так как во время работы устройства вращается цилиндрический барабан 8, то для создания на поверхности заготовки 1 двумерного рисунка достаточно выполнять линейное перемещение сфокусированного лазерного пучка параллельно оси вращающегося барабана 8. При этом, чтобы получить заданные контуры и профили элементов рисунка, необходимо согласовать закон линейного перемещения пучка (закон сканирования), определяемый законом вращения вала двигателя 5 м, соответственно винта 6, закон модуляции потока лазерного излучения по времени, угловую скорость вращения вала 9 барабана 8. Для согласования всех составляющих процесса обработки заготовки применяют управляющую ЭВМ 11, с помощью которой осуществляют управление соответствующими элементами устройства (на фиг. 2 показано стрелками).

Данный способ положен в основу работы лазерных гравировальных автоматов, выпускаемых научно-производственным центром "Альфа".

Конкретные данные по использованию аппаратов следующие:
ИАГ неодимовый лазер, длина волны 1,06 мкм;
мощность лазерного излучения 10-50Вт;
метод изменения мощности излучения лазера изменение диаметра внутри резонаторной диафрагмы;
диаметр перетяжки сфокусированного лазерного пучка 25-70 мкм;
обрабатываемый материал резина;
линейная скорость перемещения материала относительно лазерного пучка - 0,5-3 м/с;
управление процессом гравирования осуществляется с помощью персонального компьютера типа IBM PC/AT.

Толщина поверхностного слоя материала 200 мкм, в три раза больше диаметра перетяжки сфокусированного лазерного пучка. Глубина удаляемого материала пропорциональна мощности лазерного излучения, исходя из этого определяют требуемые изменения мощности и скорости перемещения материала при переходе от обработки поверхностного слоя к глубинному.

Рекомендуемые режимы обработки приведены в таблице.

При удалении материала из глубинной зоны пространства между элементами мощность лазерного излучения увеличивают в 3-5 раз, а скорость перемещения лазерного пучка увеличивают в 2-3 раза.

Изобретение относится к методам формирования на поверхности материалов выпуклых элементов, отверстий с помощью лазерного излучения и может найти применение при изготовлении печатных форм. Сущность изобретения состоит в следующем: способ лазерного гравирования заключается в том, что пространство между элементами рисунка условно разделяют на две зоны - поверхностную и глубинную. Поток лазерного излучения модулируют по времени. Сфокусированный лазерный пучок направляют на обрабатываемую поверхность заготовки, осуществляют его сканирование по обрабатываемой поверхности для получения заданного контура, причем выбирают скорость перемещения лазерного пучка такой, чтобы за один проход удалялся слой материала, глубина которого соответствует требуемой точности формирования контура и профиля элемента рисунка. Формируют требуемый профиль элемента рисунка путем повторения процедуры сканирования. При обработке глубинной зоны увеличивают мощность лазерного излучения и скорость перемещения лазерного пучка. Управление выходной мощностью лазера, модуляцией потока излучения по времени и скоростью и параметрами сканирования осуществляют с помощью ЭВМ. 1 табл. 2 ил.

Способ лазерного гравирования, при котором поток лазерного излучения модулируют по времени, сфокусированный лазерный пучок направляют на обрабатываемую поверхность заготовки, осуществляют его сканирование по обрабатываемой поверхности для получения заданного контура, причем выбирают скорость перемещения лазерного пучка такой, чтобы за один проход удалялся слой материала, глубина которого соответствует требуемой точности формирования контура и профиля элемента рисунка, формируют требуемый профиль элемента рисунка путем повторения процедуры сканирования, управление процессом обработки осуществляют с помощью ЭВМ, отличающийся тем, что при удалении материала из глубинной зоны пространства между элементами рисунка повышают мощность лазерного излучения и увеличивают скорость перемещения лазерного пучка.