Технология создания поверхностных микроструктур на листовых материалах с использованием волоконного лазера

электрофизические и электрохимические методы обработки

УДК 621.771, 62-416, 669-122.2

Технология создания поверхностных микроструктур на листовых материалах с использованием волоконного лазера

О. С. Васильев, С. Г. Горный

Описан метод создания поверхностного микрорельефа волоконным лазером на поверхности прокатного вала и дальнейшего переноса изображения на листовой материал. Смоделирован узел тиснения металлов с разными толщиной и плотностью. Проанализировано качество переноса глубокого рельефа (до 2 мм). Сформулированы сложности переноса изображения на тонколистовой материал (фольгу). Найдена зависимость качества переносимого объемного изображения от характеристик материалов узла тиснения. На прокатном вале созданы сложные полиграфические изображения, в частности логотипы, и отпечатаны на тонколистовом материале. В качестве экспериментального образца использовались металлы: свинец, алюминий, латунь.

Ключевые слова: микроструктурирование, поверхность металла, волоконный лазер, поверхностные свойства, прокатный стан, фольга.

Введение

В современном производстве существенную роль играет качество заготовок для дальнейшей обработки. В частности, при обработке металлов заготовками являются листовой металл. Чтобы раскатать металлическую заготовку в более тонкий лист применяют промышленные прокатные установки. Их размеры определяются задачами производства. На небольших производственных предприятиях используют компактные «настольные» установки с рабочем полем вала площадью 200 см2. Подобные системы применяют ювелирные, проволочно-прокатные и прочие отрасли, выпускающие мелкогабаритную продукцию. Подобная технология прокатного производства пригодна как для металлов, так и для всех типов бумажных изделий (салфетки, картон и пр.), пластиковых и полимерных изделий (гимнастические маты, пластиковые панели, корпуса компьютеров, бытовой электроники и пр.), стеклопродукции (витринное и декоративное стекло и пр.).

Прокатные вальцы необходимо предварительно структурировать для получения на них зеркального рельефа и произвести прокат листового материала. В настоящее время разработано много методов и средств структурирования поверхности [1], в том числе механические, химические и лучевые, основанные на применении и концентрированных источников энергии — лазерных, ионных и электронных пучков [2, 3].

В последнее время популярным инструментом поверхностной микрообработки металлов становится лазерное излучение. Лазерное микроструктурирование поверхности имеет ряд преимуществ: диаметр пятна фокусировки около 30 мкм, точная позиционирующая зеркальная система, компьютерное управление параметрами, программное создание графических моделей.

Существует ряд технологий, усовершенствующих и ускоряющих процесс лазерной обработки металла. Однако большинство из них вносят ряд ограничений, связанных с каче-

ством обработки. Например, для создания супергидрофобных поверхностей необходим параметр шероховатости Яа порядка 0,5-1 мкм [4], что невозможно достигнуть оптимизационными методами без внедрения в систему новых элементов (интерферометра, объектива).

Для производства листового материала используются прокатные станы. На поверхности валов формируется микроструктура. После она переносится на материал методом холодного или горячего проката. Эта технология также имеет ряд проблем: недостаточная износостойкость [5], попадание масла в зону обработки. При производстве фольги попадание масла ведет к нарушению целостности полотна. В общем случае это связано с гидродинамическими свойствами масла [6, 7]. Также на качество изготовляемой продукции влияет ряд эффектов, сопутствующих процессу прокатки металла: остаточные напряжения, деформационные упрочнения и образование мелкодисперсной металлической крошки [8]. Несмотря на многочисленные попытки графического прогнозирования процессов тиснения [9], сложно получить корректный результат. Необходимо учитывать большое количество параметров, связанных как с параметрами микроструктур, так и с характеристиками самого металла. Тем не менее можно определить зоны повышенного напряжения и зоны дальнейшего разрушения материала [10].

Цель работы — анализ технологии переноса микрорельефа на поверхность листового материала. Для достижения цели необходимо решить следующие задачи: 1) используя полученный опыт в формировании поверхностной микроструктуры волоконным лазером, сформировать на поверхности валка микрорельеф; 2) перенос микрорельефа на поверхность листового металла; 3) анализ полученного результата.

Технология микроструктурирования

поверхности материала

Изготавливая микроструктурную поверхность, необходимо учитывать шероховатость прокатного материала. Например, практически все металлические листы, за исключением полированных, имеют односторонне ориенти-

№ 3 (93)/201б

Рис. 1. Влияние направления изначальной шероховатости на МКС:

1 — продольные борозды; 2 — оптимальная МКС; 3 — поперечные борозды; 4 — МКС с искажениями

рованную структуру. При изготовлении структур субмикронных размеров на таких листах будет виден остаточный след изначальной шероховатости, что приведет к снижению качества продукции (рис. 1) [7].

Рабочая поверхность прокатных валов обладает также своей шероховатостью. В процессе работы определены минимальные требования по качеству поверхности: Яа = 0,04 мкм, Я2 = = 0,31 мкм, высота неровностей Н = 0,231 мкм [8]. Для изготовления поверхности, обладающей высокими адгезионными свойствами, нет необходимости полировать поверхность валов. Для лучшего впитывания лакокрасочных материалов необходимо, наоборот, увеличивать шероховатость. Значение Яа в этом случае определяется следующим выражением: Яа = А(1/Рс) п, где А и п — коэффициенты, зависящие от вида обработки поверхности; Яа — среднеарифметическое отклонение профиля; Рс — число пиков на 1 см профиля. Обычно п близко к 1. Поэтому требования одновременного увеличения параметров Яа и Рс являются трудновыполнимыми.

Экспериментальное оборудование

Для формирования поверхностных микроструктур используется импульсный волоконный лазер со сканирующей системой наведения луча. Технология изменения поверхностной геометрии на поверхности металла более подробно изложена в статье [11]. В работе использовался моторизированный прокатный стан, в основе которого установлены два стальных гладких вала. Основные характеристики прокатного стана, валов и экспериментального материала приведены ниже.

21В

Рис. 2. Общая конструкционная схема тиснения: а — планируемая схема модификации стандартного прокатного стана; б — экспериментальная конструкция прокатного стана для создания образцов микроструктурированных поверхностей различного типа

Характеристики прокатного стана

Скорость прокатки V, м/мин.........4,88

Твердость вальцов ИКС............58-62

Максимальный развод к, мм......... 6

Ширина рабочей зоны Ь, мм........ 113

Диаметр вальцов Б, мм............ 60

Потребляемая мощность Р, кВт...... 1,1

Толщины материала, мм

Фольга, мкм....................20 ± 2

Свинцовая пластина.............. 2

Алюминиевая пластина............ 1,5

Латуниевая пластина.............. 2

В проведенной работе микроструктура изготавливалась на отдельных стальных пластинах, что дало возможность проводить множество экспериментов, сохраняя поверхностную целостность экспериментального оборудования. Также было предложено изменить поверхностные механические свойства опорного вала. Решением стала облицовка резинопла-стиковыми материалами (рис. 2).

Результаты эксперимента

1. Изготовление микроструктуры на металлической пластине и прокат фольги и толстолистового металла. Авторегулирования степени сжатия за счет эластичности опорного вала не происходило. Фольга (толщиной от 0,01 до 0,200 мм) подвергалась сильному механическому воздействию сжатия. В итоге произошло полное разрушение экспериментального образца. При прокате металла толщиной 0,5-3 мм можно использовать подобную систему валов, так как глубина изменения микрогеометрии

в рисунке составляет не более 0,3 мм. То есть материал достаточно толстый, чтобы сохранить свою целостную структуру.

2. Изменение поверхностных механических свойств прижимного вала. Замена металлического трафарета пластиной из фторопласта Ф4 с нанесенной микроструктурой. Но этот материал не обладает достаточным качеством поверхности при лазерной обработке. Значения шероховатости изготовленных микроструктур не удовлетворяют геометрическим требованиям. Результаты тиснения представлены на рис. 3.

3. Использование резинокаучуковых покрытий в качестве эластичной подложки. При выборе резинового покрытия с оптимальными значениями упругости и эластичности процесс раскатки фольги становится более эффективным. Эластомерное покрытие служит как авто-подстраивающийся негатив микроструктуры. Этот метод подходит в основном для фольги, которая поддается механической деформации при незначительных силах сжатия.

Рис. 3. Результаты тиснения фольги штампом из фторопласта Ф4

электрофизические и электрохимические методы обработки

МЕТАШ100Б

.РАБОТКА

Таблица 1

Типы резины, использованные в эксперименте

Параметр Эластомеры

SBR NBR (1) NBR (2) NR CR TRODAT

Твердость, °8Ь А 70±5 78 53 71 65±5 66,5

Плотность, г/см3 1,44 1,35 1,25 1,55 1,4 1,35

Прочность на разрыв, МПа 4 5 5 6 6 4

Температурный режим Т -100 -130 -120 -100 -130 -140

Удлинение при разрыве, % 150 200 200 300 200 150

О б о з н а ч е н и я. 8БК/ТМКЩ-С — стирен-бутадиеновая резина; ЫБК/РУС/МБС-С — акрилнитрил-бутадиен-винилхлорид; ЫК — натуральная резина; СИ — хлоропрен; ТКОБАТ — фирменная австрийская резина для печатей.

Таблица 2

Соответствие геометрических параметров микроструктуры и полученного отпечатка

Параметр, мкм Штамп Лицевая Тыльная

Фольга

Высота МКС с подложкой ЫБК (2) 20±2 10±2 8±2

9±2 6±2 5±2

Высота МКС с подложкой ЫК 9±2 5±2 4±2

Пластины Pb, Al, La

Высота МКС на РЬ 500±10 495±10 -

0,40±0,05 0,34±0,05 -

2,5±0,1 2,22±0,1 -

Высота МКС на А1 500±10 495±10 -

0,40±0,05 0,32±0,05 -

2,5±0,1 2,18±0,1 -

Высота МКС на Ьа 500±10 495±10 -

0,40±0,05 0,27±0,05 -

2,5±0,1 1,99±0,1 -

Наилучшие результаты получены при использовании подложки из резины NBR (2) (табл. 1, рис. 4). Критерий качества — соответствие геометрических характеристик со штампом тиснения (табл. 2).

Рис. 4. Образец фольги, полученный методом холодного проката, с использованием резины NBR (2) в качестве подложки

4. При использовании более плотной и твердой резины NR (табл. 2) силу сжатия валов необходимо увеличивать, что приводит к разрушению прокатного материала, однако можно обозначить определенные преимущества: износостойкость подложки к механическому воздействию у более плотных эластомеров выше, соответственно срок эксплуатации больше.

5. При последующем увеличении плотности и твердости резиновой подложки [NBR (1), табл. 1] формирование микроструктур станет невозможным. Отчетливо будут видны только общие очертания поверхностного изображения, увеличение степени сжатия валов приведет к разрушению резины (рис. 5).

6. Используя технологию лазерного формирования микрорельефа и технологию холодного проката материала, можно изготавливать фольгу со сложным полиграфическим изображением (рис. 6). Разрешение микрогеоме-

МЕТАТОБШШ

Рис. 5. Образец тиснения фольги с использованием плотной резиновой подложки

Рис. 6. Сложный микрополиграфический рисунок на поверхности фольги

трического рисунка сопоставимо с диаметром перетяжки лазерного излучения и составляет 40-50 мкм.

Выводы

Проведя ряд экспериментов и измерений, мы получили образцы микроструктурированной фольги, исследование которых позволили сделать следующие выводы.

1. Объединение технологий лазерного формирования микрорельефа и проката металла позволяет изготавливать рулонные материалы, обладающие поверхностными полиграфическими изображениями. Простота конструкции прокатного стана дает возможность встраивания в линию. А сменные прокатные валы дают вариативность поверхностных изображений.

2. Для различных толщин листовых материалов необходимо использовать валы с различными механическими характеристиками. Например, для раската фольги эффективнее

использовать мягкую эластичную резиновую подложку. А для металлов толщиной от 1 мм можно использовать валы с металлическим покрытием.

3. Качество поверхностной микроструктуры зависит от следующих факторов: качества заготовок, разрешения изображения штампа, механических характеристик и толщины самого материала, степени сжатия валов, мягкости и эластичности подложки.

Из экспериментальных данных видно, что отпечаток по параметрам шероховатости Яа и Я2 не полностью соответствует шероховатости штампа. Это связано с наличием воздушных карманов в зоне давления валов, пористости резиновой подложки и перераспределением массы металла [12]. Разность параметров шероховатости составляет примерно от 5 до 10 мкм.

Заключение

Несмотря на сложность лазерной микрообработки металла, были получены прием ле-мые результаты поверхностных микроструктур (МКС). Был получен их качественный отпечаток. Сегодня технологию можно использовать в ряде производственных предприятий. Полученные полиграфические поверхностные изображения на листовых материалах могут быть полезны в следующих отраслях:

• рекламная продукция: разного рода обертка, поверхности объектов и лицевых панелей;

• средства защиты от подделок: наклейки или монеты с измененной топографией;

• приборостроение: поверхности, обладающие повышенной адгезионностью, гидрофоб-ностью и другими механическими свойствами.

Авторы благодарят компанию ООО «Лазерный центр» за предоставленное лазерное оборудование, также фирму ООО «Класс Инжиниринг» за изготовленные экспериментальные прокатные валы.

Литература

1. Proc. Technol. / O. Pawelski, W. Rasp, W. Zwick [et al.] // Jurn. Mater. 1994. Vol. 45. P. 215.

2. Fabrication of roll imprint stamp for continuous UV roll imprinting process / S.-Y. Hwang, S.-H. Hong, H.-Y. Jung, H. Lee // Microelectronic Engineering. 2009. Vol. 86. P. 642-645.

3. Xiuqing Haoa, Li Wanga, Quandai Wanga. Surface micro-texturing of metallic cylindrical surface with proximity rolling-exposure lithography and electrochemical mi-cromachining // Applied Surface Science. 2011. Vol. 257. P. 8906-8911.

4. Vorobyev A. Y., Chunlei Guo. Multifunctional surfaces produced by femtosecond laser pulses // Jurn. Appl. Phys. 2015. Vol. 117. P. 033103.

5. Rault D., Entringer M. Sheet Metal Forming and Energy Conservation // ASM. 1976. Vol. 97.

6. Characteristic and formation mechanism of matt surface of double-rolled copper foil / Xiyong Wang, Xue-feng Liu, Laixin Shi [et al.] // Journ. of Materials Processing Technology. 2015. Vol. 216. P. 463-471.

7. Tasan Y. C., de Rooij M. B., Schipper D. J. Changes in the micro-geometry of a rolling contact // Tribology International. 2007. Vol. 40. P. 672-679.

8. Da S. Labiapari Wilian, de Alcantara Claudio M. Wear debris generation during cold rolling of stainless steels // Journ. of Materials Processing Technology. 2015. Vol. 223. P. 164-170.

9. Analysis of Surface Roughness Transcription in Skin-pass Rolling Using Zooming Method / N. Yukawa, T. Akiyama, Y. Yoshida, T. Ishikawa // The Iron and Steel Institute of Japan. 20008. Vol. 94, N. 10. P. 17-22.

10. Yasuyuki Fujii, Yasushi Maeda, Ryota Ifuku. Prediction of surface roughness on rolled sheet by texture roll // 11th International Conference on Technology of Plasticity, ICTP 2014. 19-24 Oct. 2014, Nagoya Congress Center, Nagoya, Japan.

11. Лазерная установка для микроструктурирования поверхности металла с использованием волоконного лазера / О. С. Васильев, В. П. Вейко, С. Г. Горный, Ю. С. Рузанкина // Опт. журн. Т. 82, вып. 12. 2015. С. 70-77.

12. Ike H. 3D Finite Element Analysis of Surface Roughness Evolution of Steel Sheets by Micro-Indentation of Surface Asperities // Development of MicroDeformation Analysis and Practical Technology in Temper Rolling for Cold Rolled Steel Sheet. 20110. N 10. P. 99-110.

АО «Издательство "Политехника"» предлагает:

СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ В ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ

И ПРИКЛАДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ

под редакцией В. В. Кузнецова

ISBN 978-5-7325-1048-5 Объем 378 с. Цена 520 руб.

Монография посвящена проблемам анализа, синтеза и моделирования сложных систем различной природы. Содержание материала соответствует разделу паспорта научной специальности 05.13.01 «Системный анализ управления и обработка информации». Материалы монографии сгруппированы так, что они удовлетворяют требованиям ученых при выполнении фундаментальных и прикладных исследований. Монография рассчитана для использования учеными, специалистами-практиками, аспирантами при выполнении исследований и анализе больших, территориально распределенных технических систем, а также сложных проектов.

Принимаются заявки на приобретение книги по издательской цене. Обращаться в отдел реализации по тел.: (812) 312-44-95, 710-62-73, тел./факсу: (812) 312-57-68, e-mail: sales@polytechnics.ru, на сайт: www.polytechnics.ru.