Cirkonis (ZrO₂) yra viena iš labiausiai procesams{0}}jautrių inžinerinių keramikos gaminių. Jis pasižymi puikiu kietumu, atsparumu lūžiams ir biologiniam suderinamumui. Tačiau pjaunant netinkamu lazeriu arba netinkamai parinktais parametrais, nupjautas kraštas gali patamsėti, pajuoduoti arba atsirasti mikro-įtrūkimų, kurie gali susilpninti komponentą.
Šiame vadove aptariama, kodėl cirkonis yra linkęs degti ir kaip trys lazerinės technologijos -QCW pluoštas, UV ir pikosekundė- gali padėti išvengti šių problemų. Informacija paimta iš viešai prieinamos techninės literatūros ir gamintojo dokumentacijos.
Kodėl cirkonis dega pjovimo lazeriu metu (pagrindinės priežastys)?
Prieš pasirenkant lazerį, pravartu suprasti, ką iš tikrųjų reiškia „deginti“ ant cirkonio oksido. Tai nėra paprasta oksidacija kaip ant metalų; paprastai tai apima trijų efektų derinį:
Šilumos kaupimas– Cirkonio oksido šilumos laidumas yra žemas, todėl sugerta lazerio energija linkusi kauptis sekliame paviršiaus sluoksnyje. Taip sukuriama šilumos{1}}paveikta zona (HAZ). Naudojant įprastus nanosekundžių lazerius, HAZ gali būti gana platus, o trumpesnės impulsų trukmės (pikosekundės arba femtosekundės) gali ją žymiai sumažinti.
Deguonies praradimas ir spalvos pasikeitimas– Aukštos{0}}temperatūrinės abliacijos, po kurios greitai aušinama, metu paviršius gali netekti deguonies ir tapti tamsesnis. Šis matomas juodas / tamsus kraštas yra susijęs su paviršiaus chemijos pasikeitimu (cirkonio jonų sumažėjimu). Spalvos pakitimas dažnai yra grįžtamas; Pakartotinai pakaitinus dalį deguonies-turinčioje atmosferoje, galima atkurti baltą spalvą.
Fazės transformacija– Dėl šilumos pertekliaus cirkonis gali virsti iš tetragoninės į monoklininę fazę, esančią šalia nupjauto krašto. Ši transformacija gali sumažinti vietinį atsparumą lūžiams ir padidinti įtrūkimo ar įtrūkimo riziką. Sunkumas priklauso nuo terminio poveikio apdorojimo metu.
Praktiškai norint pasiekti, kad nudegimas{0}}laisvas, daugiausia priklauso nuo HAZ valdymo. Dėl trumpesnės terminės sąveikos susidaro baltesni, stipresni kraštai.
Trys lazeriniai būdai deginti{0}}nemokamą cirkonio oksidą
1. QCW skaidulinis lazeris (1060–1080 nm)- Greitis ir storis
Beveik{0}}nuolatinis-bangos (QCW) skaiduliniai lazeriai veikia su nanosekundžių- skalės impulsais, bet moduliuoja išvestį taip, kad medžiaga atvėstų tarp impulsų pliūpsnių. Šis periodiškas kaitinimas sumažina šilumos kaupimąsi, palyginti su nuolatinių -bangų lazeriais, kartu išlaikant aukštą medžiagos pašalinimo greitį.
HAZ dydis:paprastai nanosekundžių klasėje, dažnai mažesnė, kai darbo ciklas yra kruopščiai sureguliuotas.
Stiprybės:didelis pralaidumas, galintis pjauti gana storas dalis.
Tinka:struktūrinės cirkonio oksido dalys nuo plonų iki kelių milimetrų storio, didelės apimties{0}} gamyba.
Kaina:vidutinio sunkumo (paprastai brangesni nei standartiniai nanosekundžių pluošto lazeriai, bet mažiau nei UV arba pikosekundžių sistemos).
Daugelis mašinų gamintojų siūlo QCW pluošto šaltinius keraminiam pjovimui, pasižyminčius geru pakartojamumu ir storio aprėptimi. Vienu praneštu atveju plonų cirkonio oksido dalių partijos pjovimas lazeriu užtruko daug trumpiau nei įprastas CNC apdirbimas.
Pagrindinis taškas: QCW užtikrina produktyvumą; degimo valdymas priklauso nuo tinkamo parametrų nustatymo.
2.UV lazeris (355 nm)– fotocheminis „šaltasis pjovimas“
UV lazeriai pirmiausia pjaunami fotocheminiu ryšiu nutraukiant, o ne tirpstant. Didelė fotonų energija tiesiogiai ardo molekulinius ryšius, todėl labai mažai energijos paverčiama šiluma. Tai sumažina šiluminio{2}}įtempimo įtrūkimus ir karbonizaciją.
HAZ dydis:labai mažas, artėjantis prie mikroskopinio ar net nanoskopinio mastelio; karbonizacijos praktiškai nėra.
Stiprybės:išskirtinai švarūs plonų ir trapių medžiagų kraštai.
Tinka:plonas cirkonis (mažesnis kaip 0,3 mm), mikro-skylės, didelio-krašto-santykio mikrostruktūros; pranešama, kad plonų substratų derlius yra didelis.
Kaina:palyginti aukštas-paprastai kelis kartus didesnis nei QCW sistemoje.
3. Pikosekundinis lazeris – Itin greita šalčio abliacija
Pikosekundiniai lazeriai duoda impulsus, kurie yra daugmaž trumpesni nei nanosekundžių impulsai. Energija nusėda taip greitai, kad išgaruoja medžiagą, kol šiluma gali pasklisti į aplinką.
HAZ dydis:beveik-nuliui, o HAZ paprastai yra daug mažesnė nei nanosekundžių apdorojimo.
Stiprybės:geriausia krašto kokybė ir minimali šiluminė žala; pirmenybė teikiama medicinos / stomatologijos ir didelio stiprumo{0}}programoms.
Tinka:Itin plonos ar tikslios dalys, kurių fazės transformacija yra nepriimtina.
Kaina:didelis (dažnai žymiai didesnis nei QCW).
Greito palyginimo lentelė
|
Matmenys |
QCW pluoštas (ns) |
UV 355 nm |
Pikosekundė |
|
Impulso plotis |
10⁻⁹ s |
ns–ps klasė |
10⁻¹² s (1000 × trumpesnis) |
|
Pašalinimo mechanizmas |
Kontroliuojama šiluminė |
Fotocheminis |
Šalta abliacija |
|
HAZ |
<50 μm class |
mikro nano |
Beveik{0}}nulis (<10 μm) |
|
Krašto kokybė |
Geras (reikia derinti) |
Puikiai |
Geriausias |
|
Pralaidumas |
Aukštas |
Vidutinis |
Žemas – Vidutinis |
|
Nudegimo/pajuodimo pavojus |
Vidutinis |
Labai žemas |
Žemiausias |
|
Santykinė mašinos kaina |
Vidutinis |
Vidutinis – aukštas |
Aukštas (3–5 × QCW) |
|
Tipiškas storis |
0,2–11 mm |
<0.3 mm |
Itin-plonas / tikslus |
Proceso parametrai, padedantys išvengti nudegimų
Netgi geriausias lazeris gali nudeginti, jei parametrai nustatyti neteisingai. Paprastai rekomenduojamos šios gairės:
Impulsų sutapimas– Laikykite persidengimą vidutiniame diapazone (ne per žemai, ne per aukštai). Per mažas persidengimas sukuria laiptelius ir karščio šuolius; per didelis, kaupia per daug šilumos. Padidinkite pasikartojimo dažnį, kad padidintumėte greitį.
Nuskaitymo greitis– Keramikos pjovimo metu dažnai nustatomas vidutinis nuskaitymo greitis (pvz., keli šimtai mm/s), kad būtų išvengta tiek apatinio-pjovimo, tiek krašto mikro-įtrūkimų.
Ko-ašinės pagalbinės dujos– Inertinių dujų (pvz., azoto) bendraašių naudojimas su lazerio spinduliu padeda nupūsti išsilydžiusias šiukšles, sumažina plazmos ekranavimą ir užtikrina aktyvų aušinimą-tai paprastas būdas sumažinti HAZ ir spalvos pasikeitimą.
Darbo ciklo derinimas (QCW) – kadangi QCW pašalina šilumą tarp impulsų, padidinus intervalą (mažesnį darbo ciklą) esant tokiai pačiai vidutinei galiai, gali sumažėtistoresnio cirkonio oksido HAZ.
Kelių{0}}praėjimų, žemos-energijos strategija – keli seklūs praėjimai su maža vieno-impulso energija dažnai yra geriau nei vienas gilus, karštas praėjimas. Tai įprasta praktika naudojant UV ir pikosekundinius lazerius.
Atkaitinimas po-proceso– Jei išlieka nedidelis spalvos pakitimas, lengvas atkaitinimas atmosferoje, kurioje yra deguonies{0}}, gali atkurti baltą spalvą, nes pajuodinimas paprastai yra grįžtamasis deguonies -trūkumo efektas. Tačiau tai nepakeis gilios fazės transformacijos, todėl pagrindinis tikslas yra užkirsti kelią HAZ.
Tinkamos mašinos pasirinkimas jūsų cirkoniui
Storos dalys ir didelis tūris → QCW pluošto pjovimo sistema dažnai yra produktyviausias pasirinkimas.
Pageidautina ploni substratai, mikro{0}}skylės arba kosmetinės-kritinės briaunos → UV lazeriai.
Medicininės/stomatologinės dalys, kuriose reikia vengti fazių transformacijos → Picocond paprastai yra techniškai pranašesnis pasirinkimas.
DUK
Klausimas: Ar cirkonį galima pjauti lazeriu nepajuodus?
A: Taip. Juodėjimas atsiranda dėl deguonies praradimo HAZ. Naudojant trumpą -impulsą (UV arba pikosekundę) arba tinkamai sureguliuotą QCW su dujų pagalbine sistema, kraštas gali likti baltas.
Kl.: UV ar pikosekundė,{0}}kuris yra geresnis?
A:Abu gali duoti nemokamus -deginimo rezultatus. UV spinduliai dažnai yra ekonomiškesni ploniems pagrindams ir mikro{2} savybėms; pikosekundė suteikia mažiausią HAZ ir yra teikiama pirmenybė medicininiams / stomatologiniams ir svarbiems{3}} komponentams.
K: Ar QCW pluošto lazeris tinka cirkoniui?
A:Taip, ypač storesnėms medžiagoms ir didesniam pralaidumui. Norint valdyti HAZ, reikia kruopštaus intervalų, persidengimo ir pagalbinių dujų nustatymo.
Kl .: Kaip galima pašalinti pajuodinimą po pjovimo?
A: Švelnus atkaitinimo / pakartotinio{0}}sukepinimo veiksmas gali atkurti baltą spalvą pakartotinai oksiduojant paviršių. Tačiau tai nepataiso jokios gilios fazės transformacijos,-todėl prevencija naudojant HAZ valdymą išlieka geriausias būdas
Išvada
Galimas cirkonio oksido pjovimas be degimo, tačiau tai priklauso nuo lazerio tipo suderinimo su storio ir kokybės reikalavimais bei nuo šilumos kaupimosi slopinimo parametrų nustatymo. Siekiant produktyvumo naudojant storą cirkonio oksidą, QCW pluoštas yra geras kandidatas; ultra-ploniems arba kosmetiniams-kritiniams kraštams tinka UV; medicininiam-klasiui, beveik -nuliui-HAZ briaunoms, pirmenybė teikiama pikosekundėms.
Jei jums reikia pritaikyto sprendimo, daugelis lazerių gamintojų siūlo QCW, UV ir pikosekundines keramikos pjovimo sistemas su regėjimo padėtimi ir geru pakartojamumu.Susisiekite su YCLASERatsižvelgiant į jūsų medžiagos, storio ir kraštų{0}}kokybės reikalavimus proceso įvertinimui.
