Како ласерски исећи цирконијум без опекотина или промене боје

Цирконијум (ЗрО₂) је једна од инжењерске керамике{0}}најосетљивије на процесе. Нуди одличну тврдоћу, отпорност на лом и биокомпатибилност. Међутим, када се сече неодговарајућим ласером или лоше одабраним параметрима, резана ивица може потамнити, поцрнити или развити микро-пукотине које могу ослабити компоненту.

У овом водичу се говори о томе зашто је цирконијум склон сагоревању и како три ласерске технологије -КЦВ влакна, УВ и пикосекундна-могу помоћи да се избегну ови проблеми. Информације су извучене из јавно доступне техничке литературе и документације произвођача.

Зашто цирконијум гори током ласерског сечења (основни узроци)?
Пре него што изаберете ласер, корисно је разумети шта "опекотина" заиста значи на цирконијуму. То није једноставна оксидација као на металима; обично укључује комбинацију три ефекта:
Акумулација топлоте– Цирконијум има ниску топлотну проводљивост, тако да апсорбована ласерска енергија има тенденцију да се акумулира у плитком површинском слоју. Ово ствара зону{1}}захваћену топлотом (ХАЗ). Код конвенционалних наносекундних ласера, ХАЗ може бити релативно широк, док краће трајање импулса (пикосекунда или фемтосекунда) може значајно да га смањи.

Губитак кисеоника и промена боје– Током високо{0}}аблације, праћене брзим хлађењем, површина може да изгуби кисеоник и да постане тамнија. Ова видљива црна/тамна ивица повезана је са променом површинске хемије (смањење јона цирконијума). Промена боје је често реверзибилна; поновним-загревањем дела у атмосфери која садржи кисеоник- може се вратити бела боја.

Фазна трансформација– Вишак топлоте може проузроковати трансформацију цирконијума из тетрагоналне у моноклинску фазу близу ивице реза. Ова трансформација може смањити локалну жилавост лома и повећати ризик од ломљења или пуцања. Озбиљност зависи од топлотног излагања током обраде.

У пракси, постизање -сечења без опекотина је у великој мери ствар контроле ХАЗ-а. Краћа термичка интеракција има тенденцију да произведе беље, јаче ивице.

Три ласерска приступа за сечење{0}}без цирконија
1. КЦВ фибер ласер (1060–1080 нм)– Брзина и дебљина
Квази{0}}континуирано-таласни (КЦВ) ласери са влакнима раде са наносекундним-импулсима, али модулишу излаз тако да се материјал хлади између рафала импулса. Ово повремено загревање смањује акумулацију топлоте у поређењу са ласерима са континуираним{2}}таласима, уз одржавање високих стопа уклањања материјала.
Величина ХАЗ-а:типично у наносекундној класи, често мањи када је радни циклус пажљиво подешен.

Предности:висока пропусност, способна да сече релативно дебеле делове.
Погодно за:структурални делови од цирконијума од танких до неколико милиметара дебљине, велика{0}}производња.

Цена:умерен (генерално скупљи од стандардних ласера ​​са наносекундним влакнима, али мање од УВ или пикосекундних система).
Многи произвођачи машина нуде КЦВ изворе влакана за сечење керамике, са добром поновљивошћу и покривеношћу дебљине. У једном пријављеном случају, сечење серије танких делова од цирконијума са ласером трајало је знатно мање времена од конвенционалне ЦНЦ обраде.
Кључна тачка: КЦВ обезбеђује продуктивност; контрола сагоревања зависи од правилног подешавања параметара.

2.УВ ласер (355 нм)– фотохемијско "хладно сечење"
УВ ласери секу првенствено разбијањем фотохемијске везе, а не топљењем. Висока енергија фотона директно разбија молекуларне везе, тако да се врло мало енергије претвара у топлоту. Ово минимизира термичко-пуцање и карбонизацију.
Величина ХАЗ-а:веома мали, приближава се микроскопској или чак наноскопској скали; карбонизација је практично одсутна.

Предности:изузетно чисте ивице на танким и крхким материјалима.

Погодно за:танак цирконијум (испод око 0,3 мм), микро-рупе, микроструктуре са високим-односом{3}}; високи приноси су пријављени за танке подлоге.

Цена:релативно висок-обично неколико пута већи од КЦВ система.

3. Пикосекундни ласер – Ултрабрза хладна аблација
Пикосекундни ласери испоручују импулсе који су редови величине краћи од наносекундних импулса. Енергија се таложи тако брзо да испарава материјал пре него што топлота може да дифундује у околно подручје.
Величина ХАЗ-а:близу -нуле, са ХАЗ-ом који је обично много мањи од наносекундне обраде.

Предности:најбољи квалитет ивица и минимално термичко оштећење; преферирано за медицинске/стоматолошке и апликације високе{0}}врсте.
Погодно за:ултра-танке или прецизне делове где је фазна трансформација неприхватљива.
Цена:висока (често знатно више од КЦВ).

Табела за брзу поређење

Параметри процеса који помажу да се избегну опекотине
Чак и најбољи ласер може изазвати опекотине ако параметри нису исправно подешени. Генерално се препоручују следеће смернице:
Преклапање импулса– Одржавајте преклапање у умереном опсегу (не прениско, не превисоко). Прениско преклапање ствара степенице и скокове топлоте; превисоко ствара прекомерну топлоту. Уместо тога, повећајте стопу понављања да бисте повећали брзину.

Брзина скенирања– За сечење керамике, често се пронађе брзина скенирања у умереном опсегу (нпр. неколико стотина мм/с) да би се избегло и недовољно -сечење и микро-прслине на ивицама.

Ко{0}}аксијални помоћни гас– Коришћење инертног гаса (нпр. азота) коаксијално са ласерским снопом помаже у отклањању растопљених остатака, смањује заштиту плазме и обезбеђује активно хлађење-ово је једноставан начин да се минимизира ХАЗ и промена боје.

Подешавање радног циклуса (КЦВ) – Пошто КЦВ уклања топлоту између импулса, повећање интервала (нижи циклус рада) при истој просечној снази може да се смањиХАЗ на дебљем цирконијуму.

Стратегија са више-пролаза, ниске{1}}е енергије – Неколико плитких пролаза са малом енергијом једног-пулса често је боље од једног дубоког, врућег пролаза. Ово је уобичајена пракса код УВ и пикосекундних ласера.

Пост{0}}жарење– Ако остане мала промена боје, лагано жарење у атмосфери која садржи кисеоник-може да врати белу боју, пошто је зацрњење обично реверзибилни ефекат недостатка кисеоника-. Међутим, ово неће преокренути дубоку фазну трансформацију, тако да је спречавање ХАЗ примарни циљ.

Одабир праве машине за ваш цирконијум
Дебели делови и велика запремина → КЦВ систем за сечење влакана је често најпродуктивнији избор.

Танке подлоге, микро-рупе или козметички-критичне ивице → УВ ласери су пожељнији.

Медицински/стоматолошки делови код којих се мора избегавати фазна трансформација → Пикосекунда је генерално технички супериорнија опција.

ФАК
П: Може ли се цирконијум ласерски исећи, а да не поцрни?
A: Да. Црњење је резултат губитка кисеоника у ХАЗ. Коришћење кратког-пулса (УВ или пикосекунде) или правилно подешеног КЦВ-а уз помоћ гаса може да задржи ивицу белу.
П: УВ или пикосекундна{0}}шта је боље?
A:И једно и друго може да произведе{0}}резултате без нарезивања. УВ је често економичнији за танке подлоге и микро-функције; пикосекунда даје најнижи ХАЗ и пожељна је за медицинске/стоматолошке и{3}}критичне компоненте за снагу.
П: Да ли је КЦВ ласер са влакнима погодан за цирконијум?
A:Да, посебно за дебље материјале и већу пропусност. Захтева пажљиво подешавање интервала, преклапања и помоћног гаса за контролу ХАЗ-а.
П: Како се може уклонити зацрњење након сечења?
A: Корак благог жарења/поновног{0}синтеровања може вратити белу боју поновним-оксидацијом површине. Међутим, ово не поправља никакву дубоку фазну трансформацију-тако да превенција преко ХАЗ контроле остаје најбољи приступ

Закључак
Сечење цирконијумом без сагоревања{0}} је могуће, али зависи од усклађивања типа ласера ​​са дебљином и захтевима квалитета и од подешавања параметара за сузбијање акумулације топлоте. За продуктивност на дебелом цирконијуму, КЦВ влакна су јак кандидат; за ултра-танке или козметички-критичне ивице, УВ је погодан; за медицински-класу, близу-нулте-ивице ХАЗ, пожељна је пикосекунда.
Ако вам је потребно прилагођено решење, многи произвођачи ласера ​​нуде КЦВ, УВ и пикосекундне системе за сечење керамике са позиционирањем визије и добром поновљивошћу.Контактирајте ИЦЛАСЕРса вашим захтевима за материјал, дебљину и ивицу{0}}за процену процеса.