способ рельефной лазерной гравировки

Формула изобретения

Способ рельефной лазерной гравировки, заключающийся в формировании трехмерного изображения в памяти компьютера с разложением на послойные зоны обработки и управлении лазерным лучом, отличающийся тем, что обработку осуществляют излучением волоконного импульсно-периодического одномодового лазера на поверхности материала, а управление излучением осуществляют с помощью развертки в форме прямоугольной спирали, рассчитанной таким образом, чтобы расстояние между соседними линиями составляло 60-70% от диаметра фокального пятна с учетом изменений фокального расстояния, скорость углового перемещения пучка выбирается таким образом, чтобы расстояние между соседними точками воздействия равнялось расстоянию между линиями, а частота следования импульсов выбирается минимально допустимой для волоконного лазера, при этом угловое перемещение луча осуществляется с помощью гальванометрических сканаторов, а коррекция положения фокальной плоскости с помощью динамического трансфокатора, обеспечивающего совмещение области фокальной перетяжки луча с зоной обработки в режиме удаления материала и снижение плотности мощности за счет дефокусировки излучения в режиме удаления нагара.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к лазерной технологии и может быть использовано для размерной обработки поверхностей материалов, позволяющей создавать горильефные и барильефные изображения, что может быть применено в машиностроении, электронной промышленности и т.д.

Известен способ размерной обработки композиционного материала, включающий воздействие лазерного излучения, фокусируемого внутрь металла, и использующий в качестве рабочего инструмента многомодовое лазерное излучение. Направляя фокус луча внутрь материала на расстояние от поверхности в пределах 1/2-5/8 его диаметра, поддерживая при этом мощность излучения в диапазоне от 500 до 700 Вт и скорость перемещения луча в пределах 0,8-2,5 см/с, добиваются размерной обработки материала [РФ заявка № 20002115499].

Недостаток данного способа заключается в том, что при использовании многомодового лазерного излучения трудно сочетать большой размер зоны обработки с высоким разрешением изображения, управление лучом с высокой средней мощностью требует применения зеркал с большой площадью рабочей поверхности, что снижает предельные скорости углового перемещения пучка, при этом жесткие требования к отводу тепла от обрабатываемой детали не позволяют эффективно использовать координатные столы для позиционирования пучка.

Известен способ размерной обработки плоских, ступенчатых и криволинейных поверхностей, при котором формирование изображения на поверхности изделия делается через плоскую маску, в результате чего происходит избирательное изменение свойств обрабатываемой поверхности [А.С. СССР № 1709833].

Недостаток данного способа заключается в применении маски, что в свою очередь приводит к удорожанию технологии за счет увеличения технологического цикла. При необходимости получения объемного изображения возрастает количество необходимых масок и появляется потребность в механизме их быстрой смены.

За прототип выбран способ скоростной лазерной маркировки [РФ патент № 2236952]. Способ заключается в следующем.

На поверхности маркируемого изделия лазерным излучением формируют оптическое изображение путем управления пространственно-временными характеристиками лазерного луча. Пространственное управление реализуют за счет организации регулярного растра строк развертки, который образуется в результате двухкоординатного углового сканирования лазерным лучом поверхности изделия. Обеспечивают уровень мощности лазерного излучения, достаточный для структурного изменения облученных участков поверхности изделия, за счет импульсного режима генерации лазерного излучения. В результате на поверхности изделия образуется растровое изображение.

Недостатком этого способа является плоский характер растрового изображения, который даже при высокой мощности одномодового лазерного излучения не способен обеспечить глубокой гравировки из-за шлакообразования в узлах растра, препятствующего заглублению. Подобный подход не способен обеспечить реализацию рельефного изображения.

Задача изобретения заключается в формировании способа и алгоритма создания рельефного изображения на поверхностях произвольной кривизны методом лазерной гравировки для формирования устойчивых к внешнему воздействию клейм и ярлыков.

Предложен способ рельефной лазерной гравировки, который заключается в том, что первоначально формируют трехмерное рельефное изображение в памяти компьютера в форме матрицы глубин, которое раскладывается на последовательные портреты слоев, определяющих зоны удаления материала. Далее портрет каждого слоя раскладывается на множество замкнутых областей обработки, внутри каждой из которых формируется развертка в форме прямоугольной спирали, обеспечивающая равномерное покрытие рабочей области с минимальной длиной пути. Расстояние между соседними линиями задается таким образом, чтобы оно составляло 60-70 процентов от диаметра фокального пятна с учетом изменений фокального расстояния. Скорость углового перемещения пучка выбирается таким образом, чтобы расстояние между соседними точками воздействия равнялось расстоянию между линиями.

Для обработки используется одномодовый волоконный импульсно-периодический лазер средней мощностью не менее 10 Вт. Угловое сканирование осуществляется с помощью гальванометрических сканаторов, при этом коррекция положения фокальной плоскости осуществляется с помощью динамического трансфокатора. Применение последнего позволяет обрабатывать поверхности произвольной кривизны и сохранять неизменные условия воздействия при изменении глубины рельефа за счет совмещения области фокальной перетяжки с зоной обработки. Кроме того, использование динамического трансфокатора позволяет резко ускорить процесс очистки обрабатываемой зоны от нагара, когда снижение плотности мощности осуществляется не за счет снижения мощности, а за счет увеличения площади пятна. При этом возрастает скорость обработки и улучшается ее качество с точки зрения равномерности.

Барильефное изображение получается из горильефного с заданием общей области обработки и инверсией матрицы глубин относительно максимальной глубины обработки. Под воздействием излучения часть материала удаляется из зоны воздействия и в результате на поверхности изделия образуется стойкое к внешним воздействиям рельефное изображение.

Для определения числа проходов лазерного излучения для формирования заданной глубины одного слоя для изделия с неизвестной эффективностью удаления материала осуществляется пробная обработка по формированию углубления квадратного сечения площадью более 1 квадратного миллиметра на глубину не менее 1 мм для последующего ее измерения и определения объемной скорости удаления вещества.