В последние примерно 25 лет инновации в области лазерных технологий в промышленности прошли выдающийся путь. Начиная с простой маркировки пластика, они продвинулись до создания трехмерных деталей и красочных отпечатков на металлических поверхностях. Начало этой эволюции восходит к 1990-м годам, когда наш соотечественник впервые разработал волоконные лазеры, которые блестяще подтвердили свою эффективность в обработке металлических материалов.
Давайте погрузимся в историю развития лазерной техники за последние два десятилетия, рассмотрев оборудование отечественного производителя, известного под названием "Лазерный центр". На территории этой компании находится одна из "Точек кипения Hi-Tech", где проводятся разнообразные мероприятия, и студентам нескольких престижных вузов Санкт-Петербурга предоставляется практическая обучение.
В настоящее время существует огромное количество различных типов лазеров, однако в промышленности преобладают всего два: газовые и волоконные. Они различаются активной средой, что влечет за собой изменения в длине волны и мощности излучения. До появления этих новых технологий наиболее распространенными были твердотельные лазеры.
Первый лазерный станок на основе твердотельного лазера был собран в середине 1990-х годов. Основное предназначение этого станка заключалось в нанесении изображений и маркировке различных объектов. Этот станок состоит из двух ключевых компонентов: системы генерации излучения и системы точного позиционирования, а также включает в себя схему управления.
В центре системы генерации находится активное тело в форме стержня, расположенное в закрытом корпусе. Газоразрядная лампа создает инверсию населенности внутри этого тела, и фотоны, выпущенные при возвращении атомов в основное состояние, распространяются в разные направления. Корпус активного тела имеет небольшие отверстия с обеих сторон, выстроенные вдоль оптической оси устройства. Фотоны, направленные в этом направлении, отражаются от зеркал, размещенных на той же оптической оси, и возвращаются в активное тело, инициируя цепную реакцию с "заряженными" энергией атомов.
Получившийся лазерный луч направляется на внешнюю систему зеркал, которые управляются специальными двигателями. Эти зеркала имеют небольшой угол поворота, но обладают высокой скоростью и практически мгновенным разгоном, что позволяет быстро перемещать лазерный луч в нужное место. Эта система точного позиционирования лазерного луча называется "сканатором". Интересно, что в арсенале "Лазерного центра" до сих пор сохраняется рабочий немецкий сканатор, выпущенный в 1995 году. Этот сканатор когда-то служил прототипом для разработки собственных станков компании. Несмотря на свои размеры, сегодня он все еще функционирует, используя те же фундаментальные принципы, что и современные сканаторы.
После прохождения сканатора на станке устанавливается специализированный объектив, который точно фокусирует лазерный луч в нужной плоскости. Если бы использовалась обычная линза, точки фокусировки лазерного луча при различных настройках сканатора образовали бы сферическую плоскость, что ограничило бы возможность маркировки только сферических объектов, наподобие ложек. Для решения этой проблемы были разработаны специальные объективы, которые преобразуют сферическую плоскость в плоскую.
Объективы, используемые в лазерных станках, представляют собой комплекс специализированных линз, созданных для определенного спектра излучения. Они известны как F-Theta или объективы плоского поля. Одной из ключевых особенностей этих объективов является то, что блики, вызванные отражениями лучей от границ между средами, не должны фокусироваться на элементах объектива или зеркалах сканатора. Учитывая высокую интенсивность излучения, понятно, что такие блики могли бы повредить зеркало, создавая "мертвую зону" для станка – область, где невозможно применять маркировку на поверхности.
С первого взгляда этот станок может показаться необычным, особенно с использованием поворотного механизма от автомобиля "Лада" в качестве сигнальной лампы.
Однако в 1990-х годах промышленное лазерное оборудование, производимое в России, выглядело именно так, и это было результатом поиска наилучших решений в смежных областях, берущих начало в Советском Союзе.
При переходе в 2000-е годы начали появляться более современные блоки питания и системы управления, которые устанавливались в промышленные 19-дюймовые стойки. На фотографии станка 2005 года можно увидеть использование системы жидкостного охлаждения активной среды.
Проблема неравномерного нагрева была одной из основных сложностей, с которой сталкивались станки, работающие на базе твердотельных лазеров. Чем больше требовалась мощность, тем сильнее нагревалась активная зона во время накачки.
Разработчики экспериментировали с различными методами охлаждения, включая жидкостное, но это не давало возможности бесконечно увеличивать мощность. К тому времени активным элементом была керамика, которая подвергалась трещинам при больших разницах в температуре. Принудительное охлаждение помогало только до определенного уровня мощности.
В данном контексте речь идет исключительно о промышленном использовании лазеров для резки и маркировки.
В то время уже существовали и другие лазерные устройства, где в качестве активного элемента использовался газ. Они успешно решали проблему температурных градиентов, обеспечивая надежность и целостность активной среды. Однако у таких газовых лазеров возникали свои сложности.
Наиболее распространенными среди промышленных лазеров были газовые, работающие на основе CO2 и излучающие волны около 10 микрон. Однако при обработке цветных металлов около 90% излучения в этом диапазоне просто отражалось. Это означало, что для эффективной обработки металлов требовались огромные мощности, что в конечном итоге снижало коэффициент полезного действия. Именно по этой причине стали вносить модификации в твердотельные лазеры, в то время как CO2-лазеры оставались востребованными для обработки пластика и дерева.
Середина 2000-х годов стала временем революции в масштабах. Еще в 1990-х годах российский физик Валентин Гапонцев и его научные коллеги разработали первые волоконные лазеры, где активным элементом выступало специальное оптоволокно, а для накачки использовались светодиоды. Сам Гапонцев переехал в Соединенные Штаты и основал компанию IPG Photonics, которая к началу 2000-х годов контролировала две трети мирового рынка высокомощных волоконных лазеров.
IPG Photonics строила производственные предприятия в Соединенных Штатах, Германии и России (в наукограде Фрязино под Москвой), что предоставило "Лазерному центру" доступ к передовым оптическим генераторам, начиная с 2004 года.
Волоконные лазеры оказались лишенными недостатков твердотельных. Путем объединения оптоволокон можно было использовать несколько диодов для накачки, размещенных вдоль всей длины оптоволокна, что позволило устранить проблему избыточного нагрева в одной точке.
Кроме того, оптоволокно значительно проще охлаждать. Его толщина составляет всего 100 микрон, что приводит к более высокому отношению площади поверхности к сечению по сравнению с керамической активной средой. Это, в свою очередь, упрощает процесс отвода тепла.
Устройства, работающие на основе волоконных лазеров, оказались чрезвычайно надежными в эксплуатации. У твердотельных лазеров "слабым местом" была лампа накачки, которая считалась надежной после 500 часов работы. Даже при 800 часах она могла взорваться из-за перегрева, что приводило к простою в производстве и замене. В случае волоконных лазеров срок службы без необходимости технического обслуживания составлял 100 тысяч часов, что эквивалентно 50 годам непрерывной работы.
В музее можно найти первый станок, созданный на базе волоконного лазера, – "МиниМаркер 1". Это не просто первая модель, а первый экземпляр, который был продан клиенту. Компания выкупила его при обновлении оборудования. Станок уже работает 18 лет и до сих пор находится в рабочем состоянии.
Этот пример иллюстрирует, что уже в 2004 году с помощью этой технологии можно было достичь значительных результатов. В настоящее время практически все электроприборы маркируются с использованием лазера, так как стоимость такой маркировки близка к нулю, а время на нанесение составляет всего несколько секунд. Более того, нет необходимости в расходных материалах и шаблонах, что позволяет наносить любую информацию, формируя ее практически в режиме реального времени.
Использование волоконных лазеров стало ключевым изменением в процессе создания изображений, делая его более доступным и экономически выгодным. Эта инновационная технология завоевала широкое признание и способствовала развитию области, где были установлены новые стандарты автономности и безопасности.
Важным достижением стало внедрение закрывающих кожухов, соответствующих требованиям ГОСТа. Они эффективно предотвращают взаимодействие человека с лазерным излучением, которое в данном случае остается невидимым для человеческого глаза.
Однако преимущества этой технологии не ограничиваются этими факторами. Волоконные лазеры также характеризуются высокой скоростью перемещения лазерного луча на расстояниях в сотни метров в секунду и поразительной микронной точностью. Более того, весь процесс может быть полностью автоматизирован.
Развитие технологии создания градиентных изображений на металлических поверхностях при использовании лазерных станков началось уже в начале 2000-х годов.
Принцип работы этой технологии довольно прост: при воздействии лазерного излучения на поверхность металла на ней образуется оксид, который определяет цвет. Регулируя мощность излучения, можно добиться различных оттенков, однако на металлах достичь 255 полутонов от минимума к максимуму довольно сложно. Также требуется перенастройка при смене материала. Поэтому более эффективным стало управление плотностью "заливки", что аналогично методам, применяемым в типографиях.
Со временем, обладая глубоким пониманием физических процессов, специалисты разработали способы создания условно цветных изображений.
Толщина оксидной пленки на поверхности металла зависит от его температуры. Свет частично проходит через эту пленку, отражается от границы с металлом и взаимодействует с волной, отраженной от поверхности оксида (границы с воздухом). Это взаимодействие позволяет видеть разные цвета под разными углами обзора. Этот механизм аналогичен явлению цвета побежалости, которое проявляется на металлической поверхности после интенсивного теплового воздействия.
Регулировка мощности излучения позволяет контролировать толщину оксидной пленки и создавать цветные изображения, видимые при определенных углах обзора.
Эффективность этого процесса сильно зависит от режима работы и типа металла. Например, золото не позволяет получить зеленый и красный цвет даже при интенсивном нагреве, в то время как титан создает насыщенные цвета. Металлы с большим содержанием легирующих элементов обычно проявляют наибольшую яркость цветов.
Для каждого материала можно разработать свою теоретическую модель для расчета необходимой мощности, однако в большинстве случаев более практичным методом остается экспериментирование с небольшим образцом и регулирование на основе полученных результатов.
Далее последовал этап создания рельефных и трехмерных изображений. Процесс лазерной эрозионной обработки позволяет удалять материал по слоям с минимальной толщиной снятия всего 0,5 микрона.
С точки зрения технологий, на сегодняшний день активно ведутся исследования и разработки станков с разрешением менее одного микрона, и современное оборудование приближается к достижению этого стандарта. Несмотря на ограниченный спрос на такие технологии на данный момент, они могут найти применение в микроэлектронике.
Завод во Фрязино продолжает поддерживать свою независимость и производство передовых волоконных лазеров. Профильные учебные заведения также активно разрабатывают свои исследования в области лазерных технологий и их применения для решения разнообразных технических задач. Эти задачи, в свою очередь, находят свое практическое применение в промышленности. Компания "Лазерный центр" обслуживает заказчиков в 17 странах, и на фоне снижения конкуренции на внутреннем рынке увеличивается внимание к инвестициям в научные исследования, что способствует успешной конкуренции с китайскими производителями.
