СТОЛ ДЛЯ ОБРАБОТКИ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПРОЗРАЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ

2420-301201RU/011
СТОЛ ДЛЯ ОБРАБОТКИ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПРОЗРАЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ
Область техники
Настоящая полезная модель относится к области обработки неметаллических прозрачных материалов лазерным излучением, используемых в конструкционных изделиях из стекла, предназначенных для транспорта, авиации, строительства, а также используемых для изготовления бронестекол, судовых стекол и др. Более конкретно, настоящая полезная модель относится к столу, предназначенному для обработки неметаллических прозрачных материалов лазерным излучением, в частности, для удаления металлизированных, например, низкоэмиссионных и других покрытий со стекол.
Уровень техники
Из предшествующего уровня техники известны технические решения, в которых были предложены конструкции столов для обработки хрупких неметаллических прозрачных материалов лазерным излучением.
Наиболее близким техническим решением является устройство, раскрытое в ЕР 1864950 А1, в котором осуществляется удаление покрытия вдоль периферийных краев оконного стекла. Согласно данному устройству, стол имеет материал, образующий покрывающий слой для позиционирования обрабатываемого листа стекла, так, чтобы удаляемое покрытие стекла было обращено вверх к лазерной головке, осуществляющей удаление указанного покрытия с поверхности листа. В данном решении энергия лазерного луча регулируется таким образом, чтобы не вызвать какой-либо побочный эффект в стекле или в покрывающем слое стола, на котором расположен лист. Таким образом, в данном решении регулируется энергия лазерного луча, но не предусматривается, чтобы указанный покрывающий слой обеспечивал бы полное или частичное рассеивание лазерного излучения, то есть выполнял бы функцию антипригарного рассеивающего покрытия. Следовательно, отсутствует возможность увеличения энергии лазерного луча без риска повреждения покрывающего слоя.
Раскрытие полезной модели
Задача, на решение которой направленно данное техническое решение, заключается в создании расположенного на поверхности стола покрывающего слоя, который бы обеспечивал обработку неметаллических прозрачных материалов (стекол с низкоэмиссионным покрытием) сфокусированным импульсным лазерным излучением (с длинами волн 300-3000 нм), и в то же время исключал бы повреждение этого слоя, конструкции стола и поверхности стеклоизделия.
Данная задача достигается за счет предложенного стола для обработки неметаллических прозрачных материалов лазерным излучением, содержащего каркас с образованной на нем рабочей поверхностью, на которой закреплен по меньшей мере один покрывающий слой для позиционирования обрабатываемого материала, причем указанный по меньшей мере один покрывающий слой выполнен из материала, который является прозрачным для лазерного излучения в диапазоне длин волн 300-3000 нм, в соответствии типом лазера, используемого для обработки, и представляет собой упруго-эластичный вспененный материал с закрыто-ячеистой структурой и сильными межмолекулярными связями.
2
Технический результат, обеспечиваемый указанной совокупностью признаков, заключается в том, что в процессе обработки материала, например, удаления низкоэмиссионного покрытия со стеклоизделия, сфокусированным лазерным лучом, проходящим через объем стекла, обеспечивается полное или частичное его рассеяние в покрывающем слое, до низких значений плотности мощности Вт/см. Таким образом, покрывающий слой выполняет функцию антипригарного рассеивающего покрытия.
Под термином «закрыто-ячеистая структура» в данной заявке понимается структура, имеющая ячейки, которые полностью окружены пластиком. Ячеистые пластики, как правило, подразделяются на две основные структуры: закрыто-ячеистые и открыто-ячеистые. Закрыто-ячеистые материалы имеют отдельные пустоты или ячейки, которые полностью окружены пластиком, и проход газа осуществляется посредством диффузии через стенки ячеек (см. Handbook of Plastics, Elastomers, and Composites, by Charles A. Harper, The McGraw-Hill Companies, 2004, p.87).
Указанная структура материала является существенной для предложенного технического решения, поскольку наполненные воздухом закрытые ячейки представляют собой в физическом смысле минусовые линзы с коэффициентом преломления К=1, на границе которых с исходным материалом, имеющим коэффициент преломления К в диапазоне около 1,4-1,5, происходит преломление и рассеивание импульсного лазерного излучения - полное, или частичное, в зависимости от толщины и кратности вспенивания материала.
Кроме того, поперечно связанная закрыто-ячеистая структура, образующая прочный пространственный каркас с сильными межмолекулярными связями, обеспечивающими прочность стенок ячеек, делает материал упруго-эластичным. Под термином «упруго-эластичный материал» в данном техническом решении понимается материал, принимающий после снятия нагрузок прежнее состояние. Такой материал, как правило, имеет сильные межмолекулярные связи, т.е. в данном материале внешними электронами атомов образуются ковалентные связи. Считается, что главным отличием сильных связей от слабых связей является то, что ковалентные взаимодействия осуществляются при наличии существенного перекрывания между электронными облаками подсистем.
Под неметаллическими материалами также в основном понимаются материалы, имеющие ковалентные связи, что исключает наличие в изделии электронного газа, и, таким образом, обеспечивает низкие тепло- и электропроводящие свойства. Другим их отличием от металлических материалов является существенно меньшая их плотность. Так, плотность пластмасс ниже плотности алюминия в два раза. К неметаллическим материалам относятся, в частности: полимерные материалы органические и неорганические, различные виды пластических масс, композиционные материалы на неметаллической основе, каучуки и резины, клеи и герметики, графит, стекло неорганическое, керамика.
Понятие «прозрачный для лазерного излучения» является хорошо известным для специалистов в соответствующей области техники и означает, что материал имеет прозрачность в диапазоне длин волн, соответствующем типу лазера, используемого для обработки.
«Вспененный материал» означает материал, имеющий пенистую или ячеистую структуру, полученную любым способом вспенивания, например, добавлением вспенивающего вещества в полимер.
Упруго-эластичный вспененный материал предпочтительно является физически или химически сшитым. Процессы химического и физического сшивания также хорошо известны специалистам в соответствующей области техники.
В частности, термин «сшитый» относится к полимерам, имеющим все цепочки, связанные вместе ковалентными связями в трехмерную сетку (см. Handbook of Plastics, Elastomers, and Composites, by Charles A. Harper, The McGraw-Hill Companies, 2004, p.3).
Кроме того, упруго-эластичный вспененный материал предпочтительно имеет кратность вспенивания, составляющую от 5 до 35. Под кратностью вспенивания понимается отношение первоначального объема пены к объему раствора пенообразователя, затраченного при ее получении.
Покрывающий слой предпочтительно имеет остаточную деформацию, составляющую менее 4%, и в диапазоне рабочих температур является не токсичным и не выделяет вредных для человека веществ.
Упруго-эластичный вспененный материал покрывающего слоя предпочтительно имеет плотность от 20 до 200 кг/м³ и остаточную деформацию, составляющую менее 4%.
В качестве одного примера, упруго-эластичный вспененный материал представляет собой пенолон.
Покрывающий слой предпочтительно имеет толщину от 1 до 50 мм.
В одном варианте выполнения покрывающий слой может быть дублирован алюминиевой фольгой.
Предпочтительно материал указанного по меньшей мере одного покрывающего слоя является прозрачным для импульсного лазерного излучения с длинами волн в диапазоне 1030-1120 нм, наиболее предпочтительно - 1070 нм.
Стол предпочтительно выполнен в виде каркаса, на котором образована указанная рабочая поверхность и предпочтительно имеет систему для обеспечения создания эффекта «воздушной подушки» при позиционировании обрабатываемого материала, включающую в себя выполненные в столе выпускные отверстия для поддува воздуха.
Краткое описание чертежей
Другие цели и преимущества предложенного технического решения станут очевидны из нижеследующего подробного описания предпочтительных вариантов осуществления, приведенного со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
На Фиг.1 схематично показан лазерный технологический комплекс, в котором может использоваться стол согласно настоящей полезной модели; и
На Фиг.2 в увеличенном масштабе показан фрагмент опорной поверхности стола с покрывающим слоем согласно предложенной полезной модели.
Как показано на Фиг.1, устройство для обработки лазерным излучением неметаллических прозрачных материалов включает в себя стол 1 для обработки указанных материалов лазерным излучением, который имеет каркас 2 (предпочтительно выполненный в виде прочной стальной конструкции) с образованной на нем рабочей поверхностью в виде по существу прямоугольной плиты. Рабочая поверхность служит основанием для укладывания обрабатываемого материала, например, листа стекла, с которого удаляется низкоэмиссионное покрытие.
Как также показано на Фиг.1, устройство содержит установленный на каркасе 2 режущий мост, расположенный параллельно короткой стороне каркаса и предпочтительно также выполнен из стальной конструкции. Режущий мост может перемещаться вдоль длинной стороны каркаса 2 и несет лазерную режущую головку 3, которая может в свою очередь перемещаться вдоль моста посредством не показанного привода. Лазерная режущая головка 3 может предусматривать различные варианты выполнения и предпочтительно содержит фокусирующий объектив и сканатор, при этом она может подниматься и опускаться перпендикулярно рабочей поверхности стола 1.
Каркас 2 может быть выполнен с не показанными транспортирующими средствами для перемещения обрабатываемого материла (обрабатываемого стеклянного листа) до и после обработки (резки), а также для позиционирования его на столе 1.
Кроме того, как показано на Фиг.2, каркас 2 имеет верхнюю плиту 4, на которой расположен по меньшей мере один покрывающий слой 5 для позиционирования обрабатываемого материала. В одном варианте выполнения под покрывающим слоем 5 может быть расположена алюминиевая фольга 6.
Также предусматривается возможность выполнения плиты 4 с функцией, обеспечивающей эффект «воздушной подушки. В этом случае, в плите 4 имеются распределенные по определенному шаблону выпускные отверстия 7 для подаваемого к этим отверстиям сжатого воздуха, так, чтобы исключить трение между стеклянным листом и плитой 4 (в частности, в местах, где она не охвачена покрывающим слоем 5) при позиционировании листа.
Согласно настоящему техническому решению, по меньшей мере один покрывающий слой 5 выполнен из материала, который является прозрачным для лазерного излучения в диапазоне длин волн 300 - 3000 нм, в соответствии типом лазера, используемого для обработки, и представляет собой упруго-эластичный вспененный материал с закрыто-ячеистой структурой и сильными межмолекулярными связями.
Одним примером указанного материала является пенолон. Однако класс используемых вспененных полимерных материалов чрезвычайно широк и могут использоваться любые материалы, имеющие ту же основу (и выпускаемые под другими названиями и торговыми марками) на основе вспененного полиэтилена или сополимеров на его основе.
3
Например, перспективным материалом также считается пеноизол (пенопласт карбамидный теплоизоляционный). Этот материал характеризует низкая теплопроводность (менее 0,04 Вт/мК, низкая плотность (10-15 кг/м), простота обработки, пожаробезопасность, долговечность, а также стойкость к действию микроорганизмов и большинству органических растворителей.
Среди вспененных полимерных теплоизоляционных материалов можно отметить также пенополиэтилен (вспененный полиэтилен). Вспененный полиэтилен представляет собой упругий, эластичный, пористый и водонепроницаемый материал, химически стойкий и экологически безопасный.
К этой группе также относятся такие материалы, как: теплон, вилатерм, пенофлекс, стенофон, азуризол. Любой из них является теплоизолятором.
Примером лазера, используемого для обработки, является волоконный иттербиевый лазер с длиной волны в диапазоне 1030-1120 нм, с длительностью импульса 70-90 нс, частотой следования импульсов 30-100 кГц, средней мощностью 20-50 Вт YAG-лазер. Длины волн, составляющие около 1070 нм, являются предпочтительными, поскольку они обеспечивают лучшее поглощение низкоэмиссионным покрытием и низкое поглощение стеклом.
Ниже показан пример использования предложенного стола для обработки хрупких неметаллических прозрачных материалов лазерным излучением.
При этом в качестве примера обработки материала лазерным излучением ниже показано удаление низкоэмиссионного покрытия со стеклоизделий с помощью лазерного технологического комплекса, показанного на Фиг.1.
Преимущественно осуществляется следующий порядок выполнения операций:
- сначала на покрывающий слой 5 согласно предложенному техническому решению укладывают обрабатываемое стеклоизделие низкоэмиссионным слоем вверх, при этом лист перемещают на воздушной подушке (в аэрослое) и позиционируют по упорам;
- затем включают программу обработки, которая приводит в действие лазерную головку 3, при этом сфокусированный лазерный луч удаляет низкоэмиссионное покрытие (которое является не прозрачным для лазерного излучения) с заданных участков поверхности стекла.
При необходимости, перед обработкой лист сканируется телевизионной системой (в зависимости от сложности формы).
2
Скорость перемещения лазерного луча предпочтительно составляет 2-4000 мм/с при плотности мощности не менее W = 30×103 Вт/мм, и диаметр пятна нагрева составляет от 20 мкм и выше. Покрывающий слой 5 выдерживает и более «жесткие» условия нагрева, но они не применяются в описываемом технологическом процессе, так как в этом случае происходит сильный нагрев обрабатываемого стеклоизделия и образование в нем термонапряжений, что недопустимо.
В показанном примере, полученное изделие представляет собой стекло с низкоэмиссионным твердым (k) или мягким (i) покрытием, на котором путем воздействия сфокусированного импульсного лазерного излучения происходит испарение (абляция) металлизированного или низкоэмиссионного слоя с целью нанесения технологических отсечек и полного удаления материала покрытия для получения заданных условий нагрева стеклоизделия. Далее, после напайки на начало и конец токопроводящей дорожки электрических контактов, получают готовое к использованию электрообогреваемое стекло, на которое подается напряжение, с мощностью, рассчитанной на определенную температуру и площадь стекла.
Твердое и мягкое покрытие, кроме функции электрообогрева, используется по своему основному энергосберегающему назначению, т.е. отражает инфракрасное излучение внутри помещения и ультрафиолетовое - снаружи, позволяя, таким образом, снизить теплопотери в холодное время года и уменьшить проникновение избыточного тепла в теплое время года.
Удаление низкоэмиссионного покрытия осуществляется в зонах, рассчитываемых специальной программой, для получения возможности изготовления стеклоизделий различного назначения с заданными параметрами нагрева по поверхности стеклоизделия: для конструкционной оптики, в качестве автомобильного, авиационного, броневого стекла или для архитектурных конструкций с элекрообогревом.
Для специалистов в данной области техники должно быть очевидным, что данное техническое решение не ограничено вариантами осуществления, представленными выше, и что оно может быть изменено в пределах объема притязаний формулы полезной модели, представленной ниже. Отличительные особенности, возможно представленные в описании совместно с другими отличительными особенностями, в случае необходимости могут также быть использованы отдельно друг от друга.