УСТРОЙСТВО ДЛЯ УДАЛЕНИЯ ПОКРЫТИЙ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к устройствам для снятия тонких покрытий с неметаллических прозрачных и полупрозрачных материалов сфокусированным лазерным излучением и может быть использована в авиационной, космической, автомобильной и других областях промышленности.
Известно устройство электрохимического снятия покрытий, состоящее из головки, электрода, выполненного из тонкой металлической пластинки, и расположенного между электроизоляционными щечками, которые выполнены из фторопласта или органического стекла, причем пластинка и щечки образуют с поверхностью стекла межэлектродный промежуток. В конструкцию головки включены две трубки: первая - для подачи электролита, вторая - для удаления электролита и продуктов разрушения пленки. (Бутенко В.А. «Способ нанесения отсечек на электропроводящее поле изделий остекления». Патент РФ № 1184216, МПК СО3С 23/00, 13.07.1983 г.).
Задачу повышения качества и производительности стравливания пленки осуществляют путем пропускания переменного тока через межэлектродный промежуток с водным раствором электролита, образованный токопроводящей пленкой и вертикально расположенной металлической пластинкой с электроизоляционными щечками.
Однако, четкость края полос невысока. Кроме того, это устройство не позволяет наносить мелкие элементы рисунка.
2
3
Известно устройство для удаления тонкопленочных покрытий, например, InO, с плоских неметаллических материалов (например, со стекла) сфокусированным лазерным излучением волоконного иттербиевого импульсно-периодического лазера с использованием сканатора с относительно короткофокусным объективом и двухкоординатного стола (Чадин B.C. «Стол для обработки неметаллических прозрачных материалов лазерным излучением», Патент РФ на полезную модель № 130308 U1, МПК СО3С 23/00, 17.01.2013 г.).
Это устройство предназначено для обработки только плоских изделий сфокусированным лазерным пучком, выставленным перпендикулярно плоскости стола. При этом, на сравнительно большой площади обработки, расстояние от объектива сканатора до обрабатываемого объекта выдерживается с достаточной точностью. Это позволяет обеспечить стабильную интенсивность пучка, при которой покрытие снимается, а подложка (обрабатываемый объект) сохраняет свою целостность и физико-химические свойства, например, оптические.
Это устройство успешно применяется на практике и имеет ряд преимуществ перед способом, в основе которого лежит снятие покрытий путем травления.
Однако в случае работы с крупногабаритными 3D-изделиями его трудно применить по следующей причине. Выдерживание формы крупногабаритных силикатных стекол при моллировании с точностью до 1,0 мм - чрезвычайно трудная задача. При отклонениях, величина которых превышает 1 мм, при применении относительно короткофокусных объективов, диаметр и площадь сечения пучка увеличиваются, интенсивность излучения при сохранении средней мощности лазера падает, и процесс снятия пленки прекращается.
Наиболее близким к предлагаемому является устройство для лазерной обработки изделий, в котором постоянство расстояния от объектива до объекта выдерживают при помощи структурного оптического корректора, размещенного между лазером и объективом, вспомогательной телескопической системы и оптического блока формирования маркировочного изображения. (Агринский П.В., Агринский М.В., Кахниадзе А.С., Горбатенков В.Б., Куприянов СВ., Манилов Ю.И., Самотин С.Ю. «Система лазерной маркировки прозрачных или полупрозрачных преимущественно тонкостенных криволинейных изделий в конвейерном производстве», Патент РФ № 34428 U1, МПК В23К 26/18, 12.10.2003 г. - прототип).
Система содержит лазер, блок обеспечения сканирования и/или позиционирования, связанный с блоком формирования маркировочного изображения и зоной маркировки изделия, блок подачи изделия в зону маркировки и компьютер с программным обеспечением, управляющий технологическим процессом, и связанный со всеми блоками системы. Оптический блок этой системы содержит механическое или оптико-электронно-механическое средство отработки постоянства этого расстояния.
Это устройство обеспечивает выдерживание постоянного расстояния от объектива до объекта, определяющее стабильную величину интенсивности излучения на обрабатываемом объекте, а также качество процесса снятия покрытий, но оно является сложным и дорогостоящим. Кроме того, оно предназначено для работы с плоскими стеклами и его трудно применить в случае обработки гнутых стекол.
Задачей предлагаемой полезной модели является обеспечение возможности снятия покрытий с изделий сложной 3D-формы, увеличение скорости и повышение качества обработки изделий.
В предлагаемой полезной модели для обеспечения требований к позиционированию заготовки, упрощения технологии обработки и удешевления устройства используют длиннофокусный объектив сканатора, закрепленного на роботе.
0
Объектив имеет продольный размер фокальной области перетяжки L, превышающий величину отклонений формы 3D-изделий от заданной (см. фиг.1, где F - фокусное расстояние линзы объектива сканатора, d - диаметр параллельного пучка излучения на фокусирующей линзе сканатора, w - радиус перетяжки сходящегося гауссовского пучка, θ - угол схождения пучка, L - продольная величина фокальной области сходящегося гауссовского пучка).
Структурная схема устройства представлена на фиг. 2, а фотография устройства - на фиг. 3.
Устройство имеет шесть осей вращения (2-7), три из которых задают точку на поверхности заготовки в трехмерном пространстве, а две направляют луч лазера по нормали к поверхности заготовки в этой точке, импульсно-периодического лазера (8) с блоком питания и управления (9), коллиматора (10), сканатора (11) с длиннофокусной линзой объектива (12). Заготовку (15) укрепляют в фиксирующем устройстве (16) и с помощью вращения вокруг трех осей и линейного перемещения вдоль осей x, y и z (на рисунке не показаны) позиционируют относительно сканатора с линзой, закрепленного на выходной секции робота (7), таким образом, чтобы отклонения формы заготовки от заданной распределялись равномерно относительно линзы сканатора и были по возможности минимизированы.
Устройство работает следующим образом.
Проводят позиционирование заготовки (15) относительно комплекса робот-лазер. В блок управления роботом (14) вводят программу схемы снятия покрытий, а в блок управления сканатором (17) - программу работы сканатора. Излучение лазера (8) по оптическому кабелю (18) направляют в коллиматор (10) и затем в виде параллельного пучка - в сканатор (11). Длиннофокусной линзой (12) фокусируют излучение на покрытие заготовки (15). Блоком управления комплексом (13) осуществляют синхронизацию работы робота, лазера и сканатора.
Сканатором формируют лазерное пятно на поверхности заготовки, а роботом перемещают это пятно по заданной траектории. Требуемое значение фокусного расстояния объектива F, а также продольную длину области перетяжки L для имеющегося в наличии объектива высчитывают по формулам 1 и 2.
Здесь:
d - диаметр параллельного лазерного пучка на этой фокусирующей линзе сканатора,
- отношение наибольшей интенсивности лазерного излучения, при которой материал подложки еще не разрушается к наименьшей интенсивности, при которой покрытие еще снимается полностью,
λ - длина волны излучения лазера.
Таким образом, для качественного снятия тонких покрытий с прозрачных крупногабаритных 3D-изделий из неметаллических материалов применимо устройство, состоящее из лазера, робота и закрепленного на его выходном колене сканатора с объективом, фокусное расстояние которого рассчитывают по следующей методике:
1. Задают продольный размер области перетяжки линзы объектива L из условия, что он будет превосходить область отклонений формы изделий от заданной,
2. Задают (из эксперимента) диапазон допустимых изменений плотностей мощности (интенсивности), в котором происходит полное снятие тонких покрытий без повреждения подложки (т.е. определяют величину γ),
3. По формуле (1) получают нужное значение фокусного расстояния линзы объектива F.
Пример:
2
3
3D-заготовку из силикатного стекла толщиной 3 мм и размерами ориентировочно 1200×1000×500 мм с нанесенной методом вакуумного напыления пленкой InO, толщиной менее 1 мкм и областью сетки линий 1000×500×200 мм подвергают лазерному воздействию (нанесению сетки линий, т.е. нанесению «отсечек»). Этот процесс осуществляют следующим образом:
Стеклозаготовку устанавливают в фиксирующее устройство, имеющее регулируемое положение в пространстве. Излучение импульсно-периодического волоконного иттербиевого лазера с длиной волны излучения 1,07 мкм и средней мощностью 50 Вт по оптоволоконному кабелю подают в коллимирующее устройство, затем в сканатор (двухкоординатный дефлектор лазерного луча) и, после фокусировки выходной длиннофокусной (F=400 мм) сферической линзой сканатора, направляют на покрытие стеклозаготовки.
Все элементы лазера и сканатора укреплены на последнем колене 6-осного робота немецкой фирмы KUKA. По программе сканатор двигает луч лазера по замкнутой фигуре (близкой по форме к кругу), а робот по своей программе перемещает эту фигуру по требуемой картине «отсечек», создавая таким образом полосу обработки. Высота фигуры сканатора определяет ширину линий «отсечек», а скорости вычерчивания сканатором круга и перемещения головки робота подбирают таким образом, чтобы пятна сфокусированного пучка лазера от двух соседних импульсов пересекались на половину диаметра. При полной мощности лазера и ширине линий «отсечек» ~3 мм линейная скорость перемещения головки робота составляет ~2 мм/сек.
При этом покрытие снимается полностью, а основа (стекло) не теряет своих оптико-механических свойств. При фокусном расстоянии линзы сканатора, равном 400 мм, длина перетяжки составляет ~8 мм, что вполне перекрывает допустимые отклонения формы стеклозаготовок после моллирования от заданной (±2 мм). Качество снятия покрытия контролируют с помощью микроскопа и мегомметра.
Источники информации.
1. Бутенко В.А. «Способ нанесения отсечек на электропроводящее поле изделий остекления». Патент РФ № 1184216, МПК СО3С 23/00, 13.07.1983 г.
2. Чадин B.C. «Стол для обработки неметаллических прозрачных материалов лазерным излучением», Патент РФ на полезную модель № 130308 U1, МПК СО3С 23/00,. 17.01.2013 г.
3. Агринский П.В., Агринский М.В., Кахниадзе А.С., Горбатенков В.Б., Куприянов С.В., Манилов Ю.И., Самотин С.Ю. «Система лазерной маркировки прозрачных или полупрозрачных преимущественно тонкостенных криволинейных изделий в конвейерном производстве», Патент РФ № 34428 U1, МПК В23К 26/18, 12.10.2003 г. (прототип).