Использование лазерных технологий в промышленности

Содержание скрыть

редкоземельных элементов обеспечивает широкий спектр цветов, в том числе эксклюзивных оттенков. Получены разновидности гранатов, сходные по окраске и игре цвета с демантоидом и танзанитом.

С помощью последних были разработаны технология сверления тонких отверстий (диаметром 1 — 10 мкм и глубиной до 10 -100 мкм) в рубиновых и алмазных камнях для часовой промышленности и технологиях изготовления фильеров для протяжки тонкой проволоки. Основная область применения маломощных импульсных лазеров связана с резкой и сваркой миниатюрных деталей в микроэлектронике и электровакуумной промышленности, с маркировкой миниатюрных деталей, автоматическим выжиганием цифр, букв, изображений для нужд полиграфической промышленности.

В последние годы в одной из важнейших областей микроэлектроники — фотолитографии, без применения которой практически невозможно изготовление сверхминиатюрных печатных плат, интегральных схем и других элементов микроэлектронной техники, обычные источники света заменяются на лазерные.

Второй вид лазерной технологии основан на применении лазеров с большой средней мощностью: от 1кВт и выше. Мощные лазеры используют в таких энергоемких технологических процессах, как резка и сварка толстых стальных листов, поверхностная закалка, наплавление и легирование крупногабаритных деталей, очистка зданий от поверхностных загрязнений, резка металла, мрамора, гранита, раскрой тканей, кожи и других материалов. При лазерной сварке металлов достигается высокое качество шва и не требуется применение вакуумных камер, как при электроннолучевой сварке, а это очень важно в конвейерном производстве.

При лазерной резке отсутствует механическое воздействие на обрабатываемый материал, сфокусированное лазерное излучение регулируемой мощности — идеальный инструмент, обеспечивающий качественную гладкую поверхность кромки реза любого материала независимо от его теплофизических свойств.

Точность позиционирования лазерной головки составляет 0,05 мм, за счет чего достигается высокая точность взаимного расположения элементов заготовки. При лазерной резке получается качественный срез, не требующий дополнительной обработки, кроме того, можно изготовлять изделия любой сложности, в любом количестве и практически из любого материала.

Мощная лазерная технология нашла применение в машиностроении, автомобильной промышленности, промышленности строительных материалов. Она позволяет не только повысить качество обработки материалов, но и улучшить технико-экономические показатели производственных процессов.

5 стр., 2041 слов

Характеристика лазерной термообработки

... характеризуется автоматизацией процесса лазерного термоупрочнения и исключением необходимости термообработки всей детали, а лишь ... на металл. Схема локальной лазерной закалки Лазерное термоупрочнение Термическое упрочнение материалов и сплавов лазерным излучением ... элементов. Для получения наибольшей твердости в высоколегированных сталях, рекомендуется упрочнять их при малой длительности лазерного ...

1.Лазерные технологии в машиностроении

Лазерная резка широко применяется в заготовительном производстве. Основное преимущество лазерной резки — возможность переходить с одного типа деталей любой геометрической сложности на другой тип практически без затрат времени. Чтобы начать выпуск новой продукции, не нужно изготовление серии специальных инструментов для наладки линии, что значительно снижает затраты на вложения и собственно себестоимость выпускаемой продукции.

Освоение выпуска нового типа детали не занимает больше времени, чем составление самого чертежа и ввод его в компьютер, управляющий лазером. Качество изготавливаемой продукции позволяет совершать сварку встык без смещений кромок среза и предварительной обработки соединяемых сторон. Лазерная резка в отличие от круглого универсального инструмента позволяет выполнять острые углы, переходы без радиусов, тонкие перемычки (толщиной менее 1-2 мм), отверстия малого диаметра. С применением специализированной технологической оснастки луч лазера позволяет производить объемную резку с применением высокотехничных оптоволоконных систем. Так, например, без проектирования и технологической оснастки изготавливаются кузова автомобилей после штамповки и прочие объемные детали.

Экономически выгодным оказывается применение лазерной резки при производстве опытных образцов автомобилей, когда требуется изготовление деталей малых серий и большой номенклатуры.

В настоящее время в инструментальном производстве наиболее дорогим видом инструмента являются штампы и пресс-формы, поэтому использование технологии лазерного раскроя вместо традиционной вырубки-высечки имеет очевидные преимущества. Лазерные раскройные комплексы позволяют производить раскрой тонколистовых материалов со скоростью 120 м/мин при точности 0.01 мм.

Также лазер используют для прошивки отверстий. Применение лазера для сверления оказывается эффективным по сравнению с другими способами в некоторых случаях: сверление под углом, при соотношении глубины отверстия к диаметру больше единицы (глубокое отверстие), сверление в жаропрочных и твердых металлах. Даже применение электроэрозионных прошивочных станков не позволяет полностью избежать деформации и поломки инструмента (проволочного электрода) из-за увода оси отверстия при глубоком сверлении. Лазерная прошивка может производится в двух режимах. В первом образуется жидкая фаза, которая удаляется потоком технологического газа или парами самого испарившегося металла. Во втором, более производительном, но менее точном, отверстие формируется за счет эффекта сублимации, т. е. удаления металла путем испарения из твердой фазы, минуя жидкую.

2. Применение лазерных технологий в ювелирной промышленности

Использование лазеров для ювелирной промышленности — это сравнительно новое направление: впервые о лазерных техниках заговорили одиннадцать лет назад, однако эта методика идеально прижилась в ювелирном мире, поэтому сейчас имеется около трех тысяч лазерных установок, которые занимаются сваркой ювелирных изделий.

Лидером по лазерным техникам на сегодняшний день является Италия, которая перерабатывает до 22% всего мирового золота, предназначенного именно для ювелирных изделий, а не для слитков или же других целей, например, медицинских. Такое поголовное внедрение лазерных установок не случайно, эта техника имеет массу преимуществ, к тому же применяется сразу по нескольким ювелирным технологиям: для сварки, маркировки и резки.

4 стр., 1595 слов

Лазерное излучение (2)

... уровней 2P и 3P, приводящая к возможности генерации лазерного излучения. Лазер может оперировать в непрерывном режиме. Излучение гелий-неонового лазера линейно поляризовано. Обычно давление гелия в камере ... Вт/см2 , то прибегают к различным методам повышения мощности. 3 Принцип действия лазеров Лазерное излучение – есть свечение объектов при нормальных температурах. Но при обычных условиях ...

Итак, преимущества лазерных технологий:

Лазерный источник сконцентрирован на одной длине, что позволяет использовать его вместе с цепевязальным аппаратом.

  • Лазерные лучи характеризуются высокой концентрацией и направленностью, что позволяет максимально точно осуществлять воздействие на объект.
  • Можно использовать специальные лазерные аппараты или пользоваться ручной лазерной сваркой, создавая поистине уникальные украшения.
  • Если использовать лазер при литье, то значительно уменьшается пористость используемого материала.
  • Можно использовать лазерные источники непрерывного излучения, что позволяет делать маркировку, гравировку, микроотверстия и микрорезку.
  • При использовании лазерных аппаратов исчезает проблема, связанная с пробой.
  • При работе с лазерными технологиями не используются химические реактивы, что влияет как на само изделие, так и на окружающую среду — нет отходов.
  • Лазер значительно ускоряет производственный цикл.
  • Лазер способен соединять такие материалы, которые до этого времени считались не совместимыми из-за разницы в пробе и составе.

Наверное, до сих пор мастера — ювелиры так до конца и не изучили все свойства лазера, поэтому в ближайшем будущем можно ожидать новых разработок, которые поднимут качество ювелирных изделий на новую высоту.

3. Применение лазерных технологий в медицине

Применение лазеров в медицине принципиально отличается от других многочисленных областей технологических применения лазеров. Лазерные медицинские технологии отличаются гуманистической направленностью. Если проблема здоровья стоит достаточно остро для самого человека или его близкого, то проблемы медицины становятся неизмеримо важнее любых других проблем.

Лазерные медицинские технологии отличаются многоплановостью, комплексностью, разнообразием. Лазерная медицина включает воздействие лазерного излучения на различные части тела: кожа, кости, мышцы, жировые ткани, сухожилия, внутренние органы, глаза, зубные ткани и т. п. При этом каждая из них в свою очередь имеет сложное строение. Так в зубе можно отдельно рассматривать эмаль, дентин, пульпу. В коже — роговой слой, эпидермис, дерму. Все эти ткани имеют свои свойства, как оптические (спектральные характеристики, коэффициент отражения, глубина проникновения излучения), так и теплофизические (теплопроводность, температуропроводность, теплоемкость), отличные от свойств других биотканей. Поэтому различается и характер воздействия на них лазерного излучения. Соответственно, в каждом случае необходимо выбирать индивидуальные параметры режима облучения: длину волны, длительность воздействия, мощность, частоту следования импульсов и т.п. Сильное различие свойств биотканей делает возможным специфические воздействия, например, чрескожное воздействие на патологические ткани (облучение подкожных тканей без существенного повреждения кожи).

12 стр., 5659 слов

Лазерное излучение

... воздействия лазерного излучения. 1)термические воздевия 2)энергетические воздействия (+ мощность) 3)фотохимические воздействия 4)механическое воздействие(колебания типа ультразвуковых в облученном организме) 5)электростри (деформация молекул в поле лазерного излучения) ... определению предельно допустимых уровней облучения лазера. Воздействие лазерного излучения на кожу человека является в основном ...

Каждая ткань в силу своей биологической природы неоднородна, имеет сложную микроструктуру. В состав мягких тканей входит значительное количество воды. В состав костей входят различные минералы. Следствием этого является тот факт, что воздействие излучения на ткани, в особенности разрушающее, хирургическое, для разных тканей и длин волн излучения различается не только количественно, но и качественно. Это означает, что существует несколько совершенно различных механизмов удаления биологических тканей: тепловой и низкоэнергетический коагуляционный с последующей резорбцией, взрывные механизмы, «холодная» абляция.

Интересно, что для осуществления терапевтического воздействия на определенную часть тела лазерное воздействие может быть направлено совсем на другой объект. Здесь показательным является лазерная терапия, когда облучение крови, особых точек или проекций органов на коже человека (зоны Захарьина — Геда), стопе или ладони, области позвоночника оказывает воздействие на внутренние органы, весьма удаленные от области воздействия, и на весь организм в целом.

Кроме того, поскольку организм представляет собой единое целое, результат воздействия продолжается очень долго после его окончания. После лазерной операции реакция организма продолжается в течение дней, недель и даже месяцев.

Такая сложность и комплексность лазерной медицины делает ее очень интересной для исследования и разработки новых технологий.

Почему лазерное излучение нашло такое широкое применение в медицине? Основными особенностями лазерного излучения в применении к лазерной медицине являются:

  • направленность, монохроматичность, когерентность, определяющие возможность локализации энергии,
  • широкий спектральный диапазон существующих лазеров (это особенно важно в том случае, когда поглощение носит резонансный характер),
  • возможность в широких пределах управлять длительностью воздействия (существующие лазеры обеспечивают длительность воздействия от фемтосекундного диапазона до непрерывного воздействия),
  • возможность плавного изменения в широких пределах интенсивности воздействия,
  • возможность изменения частотных характеристик воздействия,
  • широкие возможности оптического управления процессами, в том числе, возможность организации обратной связи,
  • широкий спектр механизмов воздействия: тепловой, фотохимический, сугубо биофизический, химический,
  • простота доставки излучения,
  • возможность бесконтактного воздействия, что обеспечивает стерильность,
  • возможность проведения бескровных операций, связанная с тепловым и, следовательно, коагуляционным действием излучения.

Таким образом, лазер представляется исключительно точным, универсальным и удобным в использовании инструментом и имеет большой потенциал для медицинских применений в будущем.

Принцип работы лазера

Принципиальную схему работы любого лазерного излучателя можно представить следующим образом (рис. 1).

Рис. 1. Схема работы лазерного излучателя

В структуру каждого из них входит цилиндрический стержень с рабочим веществом, на торцах которого расположены зеркала, одно из которых обладает небольшой проницаемостью. В непосредственной близости от цилиндра с рабочим веществом расположена лампа-вспышка, которая может быть параллельна стержню или змеевидно окружать его. Известно, что в нагретых телах, например в лампе накаливания, происходит спонтанное излучение, при котором каждый атом вещества излучает по-своему, и, таким образом, имеются хаотически направленные друг относительно друга потоки световых волн. В лазерном излучателе используется так называемое вынужденное излучение, которое отличается от спонтанного и возникает при атаке возбужденного атома квантом света. Испускаемый при этом фотон по всем электромагнитным характеристикам абсолютно идентичен первичному, атаковавшему возбужденный атом. В результате появляются уже два фотона, обладающие одинаковой длиной волны, частотой, амплитудой, направлением распространения и поляризации. Легко представить, что в активной среде происходит процесс лавинообразного нарастания числа фотонов, по всем параметрам копирующих первичный «затравочный» фотон, и формирующих однонаправленный световой поток. В качестве такой активной среды в лазерном излучателе выступает рабочее вещество, а возбуждение его атомов (накачка лазера) происходит за счет энергии лампы-вспышки. Потоки фотонов, направление распространения которых перпендикулярно плоскости зеркал, отражаясь от их поверхности, многократно проходят сквозь рабочее вещество туда и обратно, вызывая все новые и новые цепные лавинообразные реакции. Поскольку одно из зеркал обладает частичной проницаемостью, часть образующихся фотонов выходит в форме видимого лазерного луча.

27 стр., 13127 слов

Лазерная безопасность

... — факторы, образующиеся при воздействии лазерного излучения на обрабатывае­мый материал. При эксплуатации и разработке лазерных изделий необходимо учитывать также возможность взрывов и пожаров при попадании лазерного излучения на горючие материалы. Для ...

Таким образом, отличительной особенностью лазерного излучения является монохроматичность, когерентность и высокая поляризация электромагнитных волн в световом потоке. Монохроматичность характеризуется наличием в спектре источника фотонов преимущественно одной длины волны, когерентность есть синхронизация во времени и пространстве монохроматичных световых волн. Высокая поляризация — закономерное изменение направления и величины вектора излучения в плоскости, перпендикулярной световому лучу. То есть фотоны в лазерном световом потоке обладают не только постоянством длин волн, частот и амплитуды, но и одинаковым направлением распространения и поляризации. В то время как обычный свет состоит из хаотично разлетающихся разнородных частиц. Для сравнения можно сказать, что между светом, испускаемым лазером, и обычной лампой накаливания такая же разница, как между звуком камертона и шумом улицы.

Применение лазеров в стоматологии

В стоматологии лазерное излучение прочно заняло достаточно обширную нишу. На кафедре ортопедической стоматологии БГМУ проводится работа по изучению возможностей применения лазерного излучения, которая охватывает как физиотерапевтические и хирургические аспекты действия лазера на органы и ткани челюстно-лицевой области, так и вопросы технологического применения лазеров на этапах изготовления и ремонта протезов и аппаратов.

4.Применение лазерных технологий в различных отраслях промышленности

— Поверхностная лазерная обработка

Лазерная термообработка, Лазерная закалка, Лазерный отжиг, Лазерный отпуск, Лазерная очистка, в том числе лазерная дезактивация, Лазерное оплавление, Оплавление для улучшения качества поверхности, Аморфизация, Получение поверхностных покрытий, Лазерное легирование, Лазерная наплавка, Вакуумно-лазерное напыление, Ударное воздействие, Ударное упрочнение, Инициирование физико-химических процессов, Инициирование поверхностных химических реакций, Лазерная сварка, Лазерное разделение материалов, Лазерная резка, Газолазерная резка, Термораскалывание, Скрайбирование, Лазерная размерная обработка, Лазерная маркировка и гравировка, Лазерная обработка отверстий

  • Фотолитография
  • Экологический мониторинг;

Заключение

Лазерное оборудование сегодня широко пошло в нашу жизнь. Доля энергии, употребляемой индустриально развитыми странами в форме лазерного луча, бистро растет — настолько быстро, что у экспертов появились основания говорить о начале третьей промышленной революции. Лазеры, выйдя за стены лабораторий, находят широчайшее применение практически во всех отраслях экономики, и число лазерных методик и технологий постоянно растет. Вспомним, какую важную роль играют сегодня систем и оптоволоконной связи, ставшие основой мировой сети телекоммуникации, Интернета и даже современной банковской системы, обеспечивающей клиенту мгновенный доступ к своему счету из любой точки мира, позволяющей использовать пластиковые карты вместо наличных, и так далее. Миллионы владельцев оптических дисков пользуются системами записи, хранения и считывания информации, подчас и не подозревая об их «лазерной» сущности. Вся современная электронная аппаратура изготавливается с массовым использованием лазерных технологий обработки и контроля, а одна из таких технологий — лазерная фотолитография — напрямую определяет плотность упаковки элементов в чипах, в кубиках, из которых строится электронная схема, и соответственно определяет компактность этой техники.

5 стр., 2416 слов

Лазерные геодезические приборы

... с помощью П. н. вытесняется гироскопическое ориентированием. Лазерные геодезические приборы Лазерные геодезические приборы конструируют таким образом, чтобы лазер был установлен параллельно визирной ... фотоприемные устройства с фотоэлементами. Рассмотрим некоторые типы известных лазерных приборов, применяемых в строительстве. Лазерные нивелиры предназначены для измерения превышений и передачи высотных ...

Лазерный раскрой металлического листа, точечная и шовная сварка, маркировка, модифицирование поверхностного слоя металла и другие лазерные технологии быстро осваиваются машиностроительными и приборостроительными заводами, обеспечивая им высокую производительность и гибкость производства, экономию материальных и энергетических ресурсов, возможность использования новых конструкционных материалов.

В медицине лазерная аппаратура давно стала применяться очень широко, и количество используемых врачами методов диагностики и лечения заболеваний с помощью лазерного луча продолжает стремительно увеличиваться. Фотодинамическая и фототермическая терапия, коррекция зрения, косметологические и пластические операции, термопластика хрящевых тканей, диагностика капиллярного кровотока — только немногие примеры новых лазерных технологий в медицине. Японские специалисты прогнозируют, что к 2005 году каждая третья медицинская процедура будет проводиться с использованием лазера.

Перечень областей применений лазерного луча в наши дни был бы не полон, если бы мы не вспомнили полиграфию с ее лазерными принтерами и настольными печатными машинами, экологический мониторинг с помощью лидаров и диодных спектроанализаторов, навигацию, использующую лазерные гироскопы, маяки и локаторы. На службе пауки примеры использования лазеров просто не сосчитать: лазерный луч и препарирует клетку, и создает экстремально плотную плазму, и измеряет скорость дрейфа материков… Вот почему объем производства лазерной техники в мире стабильно увеличивается на 15—20% в год.

К сожалению, сегодня в России лазерные технологии используются недостаточно. И это весьма огорчительно еще потому, что в результате бурного развития работ по лазерной физике и технике, возглавлявшихся в СССР нобелевскими лауреатами Н.Г. Басовым и Л.М. Прохоровым, многие эти технологии именно в нашем отечестве были придуманы и впервые освоены на практике. В 1969 году на московском АЗЛК под руководством главного сварщика завода А. Хины создана и внедрена в основное производство технологическая установка на базе отечественного серийного киловагтного СО 2 -лазера «Кардамон», которая использовалась для поверхностного локального упрочнения коробки дифференциала заднего моста автомобиля. В 1977 году на заводе «Красный пролетарий» совместными усилиями группы специалистов завода во главе с его будущим главным технологом В. Дауге и сотрудников ФИАН и НПО «Астрофизика» отработана лазерная сварка ступенчатого блока шестерен серийного токарного станка 16К20. К концу 70-х годов предприятия Минэлектронпрома выпустили более 4000 лазерных технологических установок «Квант», полностью оснастив собственную отрасль и многие смежные предприятия. В 1965 году М.Ф. Стельмах организовал в НИИ «Полюс» первую в мире лабораторию лазерной техники для медицины, а уже в начале 70-х у нас в стране были запущены в серию лазерные скальпели. Лазерные диоды на гетероструктурах, являющиеся основой сегодняшней информационной фотоники, тоже появились в нашей стране; признанием этого стала Нобелевская премия, присужденная в 2000 году Ж.И. Алферову.

20 стр., 9903 слов

Лазерная обработка металлов

... данной курсовой работе будет подробно рассмотрен такой технологический процесс, как лазерная обработка металлов, изучены его особенности и основные классификации, определены источники возможных ... ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА. УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ОПАСНЫХ И ВРЕДНЫХ ФАКТОРОВ 1 Теория лазерной обработки Лазер - источник электромагнитного излучения, видимого инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов, ...

Сегодня отечественные лазерщики предлагают более трех тысяч моделей лазерного оборудования, в России производятся лазерные источники излучения, приборы и установки практически всех известных в мире типов. Российский лазерный экспорт составляет, по разным оценкам, от 30 до 50 миллионов долларов в год и постоянно растет. А вот внутренний спрос очень невелик. Внедрение лазерных технологий не отвечает ни нашим реальным потребностям, ни реальным возможностям. Не последнюю роль здесь играет слабая информированность пользователей. Очень многие из них уверены, что хорошая лазерная техника производится только за рубежом.