بهبود فرآوری مواد صنعتی با استفاده از لیزر پالسی فوق کوتاه

توسط اردیبهشت 21, 1399 اخبار فناوری

تیم تحقیقاتی مؤسسه ملی لیورمور لارنس (LLNL) آمریکا با استفاده از پالس های فوق کوتاه لیزرهای ارزان قیمت و کم انرژی مکانیزم کارآمدی را برای کنده کاری لیزری ارائه کرده است که در کاربردهای صنعتی فرآوری مواد با لیزر قابل استفاده است.

در این روش، از پالس های با طول موج کوتاه و شار (انرژی بر واحد سطح) بالا برای تولید موج شوکی و ذوب کردن ماده هدف، استفاده می شود. بعد از عبور موج شوکی، لایه ذوب شده طی فرآیندی که با عنوان relaxation شناخته می شود تحت تنش قرار گرفته و سرانجام سبب بیرون راندن ماده از طریق تولید حباب و ایجاد حفره می­ شود (رشد حباب های ناپایدار).

محققین جهت مطالعه کنده کاری با پالس های لیزری فوق کوتاه بر روی سه ماده آلومینیوم، استیل ضد زنگ و سیلیکان از ترکیب نتایج تجربی و شبیه سازی های پیشرفته کامپیوتری در بازه ای از انرژی و طول موج لیزر، استفاده کردند. نتایج یافته های آنان نشان می دهد که پالس های پیکوثانیه UV با شار بیشتر از ۱۰ ژول بر سانتیمتر مربع می تواند با انرژی کمتر، ماده بیشتری را نسبت به پالس های با طول موج بلندتر از بین ببرد.

به گفته آقای Jeff Bude (قائم مقام مرکز علوم و تحقیقات در LLNL): “شارهای بیشتر از ۱۰ ژول بر سانتیمتر مربع بخصوص برای پالس­های لیزری UV نسبت به طول موج های بلندتر و با شار کمتر رفتار بسیار متفاوتی دارند. سرعت کنده کاری برای شارهای بیش از ۱۰ ژول بر سانتیمتر مربع و بخصوص برای نور UV افزایش می یابد. افزایش کنده کاری متناسب با افزایش بازده کنده کاری است یعنی برای برداشتن یک حجم معین از ماده، نیاز به انرژی کمتر است.

با مقایسه نتایج مربوط به لیزرهای با طول موج­ ۳۵۵ نانومتر (فرابنفش) و ۱۰۶۴ نانومتر (مادون قرمز نزدیک) و شار از ۰.۱ تا ۴۰ ژول بر سانتیمتر مربع، محققین دریافتند که طول موج کوتاه تر سبب ارتقاء میزان کنده کاری می شود. کنده کاری لیزری با استفاده از طول موج UV به مراتب مؤثرتر از طول موج مادون قرمز در هر سه ماده آلومینیوم، استیل ضد زنگ و سیلیکان است.

بهبود فرآوری مواد صنعتی با استفاده از لیزر پالسی فوق کوتاه

نمایشی از مدل مورد استفاده در مطالعات کنده کاری با لیزر پالسی پیکوثانیه. این مدل تحت کد هیدرودینامیک تابشی چند فیزیکی HYDRA بسط داده شده است. تصویر، یک نسخه ۱ بعدی از مدل در راستای محور مرکزی باریکه لیزری را نشان می دهد که برای مطالعه پاسخ ماده در ۳ بعد بهینه شده است.

شبیه سازی با استفاده از کد هیدوردینامیک تابشی (HIDRA) نشان داده است که افزایش بازدهی کنده کاری به این دلیل است که پالس هایUV نفوذ عمیق تری دارند و انرژی را نزدیک تر به سطح هدف تخلیه می کنند که سبب تولید شوک های با فشار بالاتر، ذوب عمیق تر و کنده کاری وسیع تر به دلیل تولید حباب و ایجاد حفره می شود.

به گفته آقای Jeff Bude: “فرآیند کنده کاری (شوک گرمایی که موجب ذوب و سپس کنده شدن ماده هدف با حباب سازی می شود) نسبت به حذف ماده از طریق بخار کردن، به انرژی کمتری برای حذف ماده نیاز دارد و بنابراین روش مؤثرتری است.”

آقای Wes Keller تحلیلگر و سرپرست روابط عمومی LLNL می گوید: “مدل سازی این پدیده کار پیچیده ای است زیرا فرآیند جذب انرژی لیزر تا حد زیادی به پاسخ هیدرودینامیک ماده مرتبط است و به یک کد واحد مانند HYDRA که قابل کوپل شدن به پدیده های مختلف است نیاز دارد.”

محققین دریافته اند که پاسخ ماده به لیزرهای پیکوثانیه تا حد زیادی مطلوب تر از پاسخ آن به لیزرهای فمتوثانیه رایج است. به گفته آقای Jeff Bude: “برخی از فرضیات ساده فیزیکی رایج در لیزرهای پالسی بسیار کوتاه (فمتوثانیه)، در مورد لیزرهای پیکوثانیه صحیح نیست. به گفته او در اینجا به جای اینکه ماده به آسانی انرژی لیزر را جذب و تبخیر کند، ماده حرکت کرده و منجر به پدید آمدن پولوم لیزری (ناحیه پلاسمایی ایجاد شده بعد از برخورد پالس لیزر به ماده) می شود. این بدین معناست که مدل ها باید به نحوی تنظیم شوند که هیدرودینامیک ماده ذوب شده و اندرکنش بین پالس لیزری و پلاسما (گاز یونیزه) در پولوم نیز شامل شوند.”

آقای Jeff Bude می گوید: “برای مدلسازی صحیح اندرکنش لیزر-پلاسما، گروه های تحقیقاتی باید تعداد زیادی آزمایش های خلاقانه برای تصحیح نقص های موجود در مدل انجام دهند. با تشخیص فیزیک این پدیده، تیم ما کشف کرده است که شوک حرارتی برای ایجاد ذوب در عمق میکرونی ضروری است. بعد از ایجاد این ذوب عمیق با شوک حرارتی، حباب سازی موجب کنده کاری می شود.”

آنها دریافتند که پالس هایی که از لحاظ زمانی شکل دهی شده اند می توانند بر ناپایداری موجود در ماده ذوب شده غلبه کنند. بنابراین محققین می توانند از پالس های شکل دهی شده برای کندن مؤثرتر ماده استفاده کنند. این نتایج پیشنهاد می دهند که لیزرهای پالسی پیکوثانیه مزایای بیشتری از نظر قیمت، کارایی و کنترل تخریب نسبت به لیزرهای فمتوثانیه رایج دارند.

منبع : www.inlc.ir

مطالب مرتبط :