بیشینه کردن راندمان سایش و انتخاب صحیح قله شار، منجر به توان عملیاتی عالی و فرآیند ماشینکاری لیزری با کیفیت بالا میشود.
در دسترس بودن لیزرهای دارای پالس فوق کوتاه (USP؛ بعنوان فوق سریع نیز شناخته میشوند)، که امکان ماشین کاری بسیار دقیق را فراهم میکنند، موجب گسترش قابلیت‌های ماشین کاری لیزری شده است. اگرچه، در هنگام بهینه سازی ظرفیت بالا و فرآیند ماشین کاری لیزری با کیفیت بالا با بکارگیری لیزرهای USP، فاکتورهای جدیدی را باید در نظر گرفت. نخست، راندمان سایش (به معنای نرخ ویژه برداشت بر حسب میلی متر مکعب بر دقیقه و وات) باید بیشینه شود .بویژه، برای دستیابی به کیفیت سطح خوب، شار حداکثری باید به درستی انتخاب شود.
افزایش انرژی پالس و اندازه نقطه
ساده ترین رویکرد برای افزایش نرخ سایش بر حسب حجم بر زمان افزایش متوسط توان است. با این حال، برای حفظ بالاترین کیفیت ماشین کاری، باید توان میانگین همراه با نرخ تکرار پالس لیزر یا مساحت سطح تحت سایش افزایش یابد تا بیشینه شار لیزری در نقطه بهینه حفظ شود. بعلاوه، کیفیت ماشین کاری خوب نیاز به فاصله پالس به پالس (به اصطلاح گام نامیده میشود) دارد که در محدوده نیم تا یک شعاع لکه لیزر است بعبارت دیگر همپوشانی پالسی در حدود ۷۵% باشد. برای گام p و شعاع لکهw0 ، همپوشانی o عبارتست از:
در دسترس بودن لیزرهای دارای پالس فوق کوتاه (USP؛ بعنوان فوق سریع نیز شناخته میشوند)، که امکان ماشین کاری بسیار دقیق را فراهم میکنند، موجب گسترش قابلیت‌های ماشین کاری لیزری شده است. اگرچه، در هنگام بهینه سازی ظرفیت بالا و فرآیند ماشین کاری لیزری با کیفیت بالا با بکارگیری لیزرهای USP، فاکتورهای جدیدی را باید در نظر گرفت. نخست، راندمان سایش (به معنای نرخ ویژه برداشت بر حسب میلی متر مکعب بر دقیقه و وات) باید بیشینه شود .بویژه، برای دستیابی به کیفیت سطح خوب، شار حداکثری باید به درستی انتخاب شود.
افزایش انرژی پالس و اندازه نقطه
ساده ترین رویکرد برای افزایش نرخ سایش بر حسب حجم بر زمان افزایش متوسط توان است. با این حال، برای حفظ بالاترین کیفیت ماشین کاری، باید توان میانگین همراه با نرخ تکرار پالس لیزر یا مساحت سطح تحت سایش افزایش یابد تا بیشینه شار لیزری در نقطه بهینه حفظ شود. بعلاوه، کیفیت ماشین کاری خوب نیاز به فاصله پالس به پالس (به اصطلاح گام نامیده میشود) دارد که در محدوده نیم تا یک شعاع لکه لیزر است بعبارت دیگر همپوشانی پالسی در حدود ۷۵% باشد. برای گام p و شعاع لکهw0 ، همپوشانی o عبارتست از:
بازه عملکرد در شرایط نرخهای تکرار پالس برای سیستمهای لیزری USP در دسترس کنونی، در محدوده تک رقمی مگا هرتز است. در نتیجه، سرعتهای بسیار بالای اسکن برای حفظ همپوشانی پالسی بهینه مورد نیاز است. شکل ۱ سرعتهای اسکن محاسبه شده برای شعاع نقطه ای w0=6μm و نرخهای تکرار تا freq=10 MHz را نشان میدهد.
شکل ۱: محدودیتهای سرعت اسکنرهای گالوانومتری در طرح های مختلف نشان داده شدهاند.
راه اندازی تست و نتایج اولیه
سیستم لیزری استفاده شده مدل Fuego از Lumentum (محصولات Time-Bandwidth سابق؛ Milpitas, CA) است که پالسهای ps10 ایجاد میکند. نور لیزر از میان یک تیغه ربع موج λ/۴ که قطبش دایرهای ایجاد میکند، عبور کرده و سپس از طریق چهار آینه به دیافراگم اسکنر هدایت میشود. یک پرتو گستر در مقابل اسکنر نصب میشود.
آزمایشات در طول موج ۵۳۲ نانومتری تولید همساز دوم (SHG) با استفاده از شیئی متمرکز کننده با فاصله کانونی ۱۰۰ میلی متر که منجر به لکه ای به شعاعw0=6.2μm و (m2) کیفیت پرتو بهتر از ۱/ ۱انجام شدند. (هر دو مقدار با یک پروفایلر باریکه اسکن شکاف اندازه گیری شده است.)
برای آزمودن دقت سیستم اسکنر جدید، یک تراشه سیلیکونی جلا داده شده به عنوان ماده نمونه استفاده شد. افزایش فرآیند سایش بر روی فولاد ضد زنگ ۴۳۰۱/۱ (یا در استاندارد ایالات متحده، AISI 304) با آستانه شار J/cm2 ۰۶۴/۰، منجر به حداکثر شار لیزر بهینه J/cm2 ۴۷/۰ میشود. مشاهدات مربوط به سایش در این حداکثر شار لیزر صورت گرفت.
سیستم گالوو اسکن مورد استفاده در آزمایشات،SCANLAB’s intelliSCANse ۱۰ بود. در یک حلقه بسته دیجیتالی کنترل به روش PID، موقعیت آینه دو موتور گالوانومتر برای دو محور اسکن با استفاده از اطلاعات موقعیت فراهم شده توسط رمزگذاری دیجیتال نوری مبتنی بر تکنولوژی انحراف-خطا (SE)، کنترل میشود. استفاده از رمزگذاریهای دیجیتالی اجازه خطی سازی بهتر مقیاس زاویه را میدهد که برای توزیع یکنواخت پالسهای لیزر در طول مسیر اسکن ضروری است.
برخلاف رمزگذارهای معمول موقعیت زاویهای که متکی بر مقیاس دیسک متصل شده به انتهای محور اسکنر گالوانومتر هستند، رمزگذار SE مجهز به یک آینه کوچک است که پرتو نوری را منحرف میکند. در حالیکه محور اسکنر در حال چرخیدن است، پرتو نور در سراسر مقیاس ثابتی اسکن میشود. با بهرهگیری از اینرسی پایین و کیفیت بالای سیگنال این طرح رمزنگار، اسکنرهای گالوانومتر دقت و عملکرد پویا را حتی در سرعتهای اسکن بسیار بالاتر از بازه معمول سرعتهای قابل دستیابی با تکنولوژی گالوانومتر حفظ میکنند.
معمولاً، متغیرهای کنترل موقعیت PID حلقه بسته باید در دینامیک مطلوب برای یک اسکنر گالوانومتر تنظیم شوند. برای دوری از رفتار ناپایدار کنترل موقعیت PID حلقه بسته، یک موازنه بین دینامیک (پهنای باند) و بیشینه سرعت عملکرد اسکنر ایجاد میشود.
برای انجام آزمایشات گزارش شده، تنظیم خاصی انجام شد تا شرایط دستیابی به بالاترین میزان سرعت فراهم شود که سبب گذر از حد مجاز سرعت گالوانومتر به قیمت تغییرات در ورودی با موقعیت مکانی مسیر نامناسب بود. برای اجتناب از شتاب گیری فراتر از دینامیک سیستم، در الگوریتم کنترل مسیرها باید به خوبی برنامه‌ریزی شوند. چون کنترل کننده PID عرض باند مشخصی دارد، سیستم اسکنر عاری از خطای ردیابی نیست که ممکن است دقت کلی سیستم اسکنر را در عمل محدود کند. عملکرد باید به صورت تجربی سنجیده شود. مسیرها با استفاده از نرم افزار تولید حرکت آنلاین Reflexxes Motion Libraries شرکت Reflexxes (Hamdorf، آلمان) طراحی شدند.
برای ارزیابی دقت سیستم اسکنر در سرعتهای بالا، الگوی مرجعی از حفرهها با شرایط اسکنر ثابت ایجاد شد. در شکل ۲، این الگو به عنوان پایین ترین خط در تصویر قابل مشاهده است.
شکل ۲: آرایشی از حفرهها (a) که با سرعت اسکنر ۶ متر بر ثانیه و نرخ تکرار frepمعادل ۲۸۵ کیلوهرتز تولید شده و منجر به فاصله پالس ۲۱ میکرومتر شده است. پایین ترین خط الگوی مرجع با فاصله پالس ۲۱ میکرومتر و حداکثر انحراف کمتر از ۱ میکرومتر است. آرایش دیگری از حفرهها (b) که با سرعت اسکنر ۲۵ متر بر ثانیه و نرخ تکرار frepمعادل ۲ مگاهرتز تولید شده و منجر به ایجاد فاصله پالس ۵/۱۲ میکرومتر (۲۵ میکرومتر در خط مرجع) شده است. سیستم اسکن intelliSCANse با تکنولوژی رمزنگار دیجیتالی (شکل بالا) برای ایجاد این آرایشها استفاده شد.
سرعت اسکن ۶ متر بر ثانیه و نرخ تکرار ۲۸۵ کیلوهرتز منجر به فاصله پالس ۲۱ میکرومتری شد (شکل ۲a را مشاهده کنید). هیچ انحراف قابل رویتی در موقعیت حفره ها از آنچه در خط مرجع بود، وجود ندارد. در شکل ۲b سرعت اسکن به ۲۵ متر بر ثانیه افزایش یافت و نرخ تکرار در ۱/۲ مگاهرتز تنظیم شد. فاصله پالس به دست آمده ۵/۱۲ میکرومتر است و بیشینه انحراف موقعیت حفره ها از حفره های خط مرجع معادل با ۵ میکرومتر قابل مشاهده است.
این نتایج نشان میدهد که سرعت اسکن ۲۵ متر بر ثانیه با دقت بالا، در حالیکه شرایط عملکرد لیزر را در رژیم مگاهرتزی فراهم میکند، میتواند به دست آید.
افزایش نرخ تکرار
شکل ۳ سطح و ساختار سه بعدی یک الگوی پوست کوسه ای را که در نرخ تکرار ۲ مگاهرتز و سرعت اسکن ۶ متر بر ثانیه ایجاد شده را نشان میدهد. افزایش توان عملیاتی به معنای زیاد شدن متوسط توان برای دستیابی به نرخ سایش بالاتر است. همچنین افزایش متوسط توان با استفاده از انرژی پالس بالاتر منجر به کیفیت بد سطح به خصوص در فولاد ضد زنگ میشود. بنابراین، حداکثر شار لیزر بهینه با افزایش همزمان متوسط توان و نرخ تکرار پالس لیزر، حفظ میشود.
این نتایج نشان میدهد که سرعت اسکن ۲۵ متر بر ثانیه با دقت بالا، در حالیکه شرایط عملکرد لیزر را در رژیم مگاهرتزی فراهم میکند، میتواند به دست آید.
افزایش نرخ تکرار
شکل ۳ سطح و ساختار سه بعدی یک الگوی پوست کوسه ای را که در نرخ تکرار ۲ مگاهرتز و سرعت اسکن ۶ متر بر ثانیه ایجاد شده را نشان میدهد. افزایش توان عملیاتی به معنای زیاد شدن متوسط توان برای دستیابی به نرخ سایش بالاتر است. همچنین افزایش متوسط توان با استفاده از انرژی پالس بالاتر منجر به کیفیت بد سطح به خصوص در فولاد ضد زنگ میشود. بنابراین، حداکثر شار لیزر بهینه با افزایش همزمان متوسط توان و نرخ تکرار پالس لیزر، حفظ میشود.
شکل ۳: یک ساختار پوست کوسهای (تصویر بالا) با استفاده از پارامترهای زیر ایجاد شد: Pav=0.57W، frep=2MHz و υscan=6m/s (طول موج ۵۳۲ نانومتر، w0=6.2μm). تصاویر میکروسکوپ الکترون پویشی (SEM) (تصویر پایین) کیفیت سطح ساختارها را که به صورت یک سویه ماشین کاری شدهاند را نشان میدهد. آشکارساز SE2، ۲ مگاهرتز (a-c) و ۱/۴ مگاهرتز و ۲/۸ مگاهرتز (d-f). آشکارساز درون لنزی ۲ مگاهرتز، ۱/۴ مگاهرتز و ۲/۸ مگاهرتز را نشان میدهد.
آزمایش در حالتهای اسکن یک سویه و دو سویه انجام شد. نرخ سایش ویژه به دست آمده (ماده حذف شده بر واحد زمان و میانگین توان) متأثر از حالت اسکن بکار گرفته شده، نیست. کیفیت سطح برای بالاترین نرخ تکرار لیزر استفاده شده معادل ۲/۸ مگاهرتز، خوب است. تنها افزایش کوچکی در کرم ها و قطرات کوچک ذوب شده میتوان دید و هیچ اختلافی بین دو حالت اسکن وجود ندارد. این نتایج منجر به این استنتاج میشود که فرآیند سایش میتواند بدون هیچ اثر منفی در شرایط و پارامترهای اشاره شده به رژیم مگاهرتزی، افزایش مقیاس داشته باشد.
الگوریتمهای کنترل اسکن جدید
در حالیکه روشهای اعمال شده در مشاهدات در مقایسه با سیستمهای گالوو-اسکنر افزایش چشمگیری در راندمان را نشان میدهند، اما این افزایش به قیمت از دست دادن انعطاف پذیری است. تا کنون تنها ناحیه فرآیندی مستطیل شکل محقق شده است، در هندسه های مختلف فرآیندی، برای دستیابی به دقت مطلوب، متغیرها باید به دقت تنظیم شوند و برنامه نویسی پیچیده، قابلیت استفاده را محدود میکند. بعلاوه، طول پیشرو مورد نیاز در پایدارسازی سرعت اسکنر به خصوص در خطوط کوتاه (ساختارهای کوچک) چرخه کاری را محدود میکند.
در پاسخ به این کاستی، آزمایشات بیشتری که در آنها یک سر اسکن exelliSCAN مجهز به سیستم کنترل SCANaheadاست، برنامه ریزی شد. این تکنولوژی مبتنی بر الگوریتم کنترلی خطای ردیابی صفر است که مستقیماً در الکترونیک کنترل-اسکنر اجرا شده است.
در یک پنجره زمانی پیش نمایش ۱ میلی ثانیه ای، فرمانهای موقعیتی دریافت شده از کنترلهای اسکنر به صورت خودکار پیش پردازش و بدون اثرات خطای ردیابی اجرا شدند. الگوریتم کنترلی برای دستیابی به پتانسیل کامل شتاب گالوو اسکن در هر سرعت اسکنی برای ایجاد زمانهای نشست بسیار سریعتر در جهت تثبیت سرعت اسکنر و در نتیجه توان عملیاتی بالاتر، بهینه میشود. توابع کنترلی داخلی اتوماتیک و بازخورد موقعیت دقیق اصلاح شده در سرعت بالا، امکان برنامه نویسی فرآیندی پیچیده تر نظیر شکلهای غیر مستطیلی و ساختارهای کوچکتر را فراهم میکند.
استفاده از نور مادون قرمز با طول موج بیشتر از ۵۳۲ نانومتر اندازه حفره و بنابراین سطح سایش را بزرگتر خواهد کرد. از این رو، ماشین کاری با توان متوسط بالاتر منجر به استفاده کامل از توان ایجاد شده توسط لیزرهای USP امروزی خواهد شد. علامت گذاری با گالوو اسکنرها نسبت به زمان ماشین کاری با انتخاب سرعت اسکن مناسب برای فاصله علامت گذاری مورد نظر، میتواند بهینه شود. همراه با این سرعت اسکن بهینه شده، چرخه کاری بیشینه که برای اسکن دو طرفه ۵۰% بود نیز مشاهده شد. طول پیشرو مورد نیاز برای تثبیت سرعت اسکنر، چرخه کار را محدود میکند بنابراین استفاده از یک الگوریتم کنترلی جدید که با این مشکل مقابله کند، توان عملیاتی را بیشتر خواهد کرد. سایر روشها برای غلبه بر این محدودیت نظیر توزیع پالسهای لیزر در گالوو هدهای متعدد را نیز باید در نظر داشت.
الگوریتمهای کنترل اسکن جدید
در حالیکه روشهای اعمال شده در مشاهدات در مقایسه با سیستمهای گالوو-اسکنر افزایش چشمگیری در راندمان را نشان میدهند، اما این افزایش به قیمت از دست دادن انعطاف پذیری است. تا کنون تنها ناحیه فرآیندی مستطیل شکل محقق شده است، در هندسه های مختلف فرآیندی، برای دستیابی به دقت مطلوب، متغیرها باید به دقت تنظیم شوند و برنامه نویسی پیچیده، قابلیت استفاده را محدود میکند. بعلاوه، طول پیشرو مورد نیاز در پایدارسازی سرعت اسکنر به خصوص در خطوط کوتاه (ساختارهای کوچک) چرخه کاری را محدود میکند.
در پاسخ به این کاستی، آزمایشات بیشتری که در آنها یک سر اسکن exelliSCAN مجهز به سیستم کنترل SCANaheadاست، برنامه ریزی شد. این تکنولوژی مبتنی بر الگوریتم کنترلی خطای ردیابی صفر است که مستقیماً در الکترونیک کنترل-اسکنر اجرا شده است.
در یک پنجره زمانی پیش نمایش ۱ میلی ثانیه ای، فرمانهای موقعیتی دریافت شده از کنترلهای اسکنر به صورت خودکار پیش پردازش و بدون اثرات خطای ردیابی اجرا شدند. الگوریتم کنترلی برای دستیابی به پتانسیل کامل شتاب گالوو اسکن در هر سرعت اسکنی برای ایجاد زمانهای نشست بسیار سریعتر در جهت تثبیت سرعت اسکنر و در نتیجه توان عملیاتی بالاتر، بهینه میشود. توابع کنترلی داخلی اتوماتیک و بازخورد موقعیت دقیق اصلاح شده در سرعت بالا، امکان برنامه نویسی فرآیندی پیچیده تر نظیر شکلهای غیر مستطیلی و ساختارهای کوچکتر را فراهم میکند.
استفاده از نور مادون قرمز با طول موج بیشتر از ۵۳۲ نانومتر اندازه حفره و بنابراین سطح سایش را بزرگتر خواهد کرد. از این رو، ماشین کاری با توان متوسط بالاتر منجر به استفاده کامل از توان ایجاد شده توسط لیزرهای USP امروزی خواهد شد. علامت گذاری با گالوو اسکنرها نسبت به زمان ماشین کاری با انتخاب سرعت اسکن مناسب برای فاصله علامت گذاری مورد نظر، میتواند بهینه شود. همراه با این سرعت اسکن بهینه شده، چرخه کاری بیشینه که برای اسکن دو طرفه ۵۰% بود نیز مشاهده شد. طول پیشرو مورد نیاز برای تثبیت سرعت اسکنر، چرخه کار را محدود میکند بنابراین استفاده از یک الگوریتم کنترلی جدید که با این مشکل مقابله کند، توان عملیاتی را بیشتر خواهد کرد. سایر روشها برای غلبه بر این محدودیت نظیر توزیع پالسهای لیزر در گالوو هدهای متعدد را نیز باید در نظر داشت.