Основи розробки технологічних засобів підвищення ефективності лазерної обробки

Ситуація стане значно простішою, коли обробка ведеться без постійних циклів «вмикання» - «вимикання» лазерного випромінювання. Для цього достатньо зменшити густину потужності сфокусованого лазерного променя (тобто збільшити пляму фокусування). Дійсним критерієм вибору режиму обробки є така густина енергії сфокусованого лазерного випромінювання (без додаткового сканування), при якій починається випаровування поверхневого шару деталі, яка створюється (Рис.14а). Додаткове сканування лазерного випромінювання в даному випадку веде до збільшення розмірів рідкої ванни та часу її існування (Рис.17,Рис.18). Так, на приклад, збільшення плями фокусування до r_p=0,2мм (P_m=150Вт, W_P =2.4*10⁵Вт/см², V_x =20мм/с) (у порівнянні з обробкою променем, сфокусованим у пляму r_p =0.1мм) веде до більш рівномірного розподілу W_E(x,z) (Рис.17). Крім того, відбувається:

· певний баланс енергії, яка поступає до деталі та відводиться у її тіло (за рахунок теплопровідності),

· зниження температури поверхні, яка стає меншою температури випарювання матеріалу основи порошку (у порівнянні зі звичайною обробкою)

· збільшуються розміри та час існування ванни розплаву

Як видно з залежностей, наведених на Рис.18, максимальний час існування ванни розплаву можливий при умовах, коли площина сканування (B=0) співпадає з вектором швидкості переміщення лазерного променя (залежність 3, Рис.18б) і зростає зі зростанням амплітуди сканування. Навпаки, при умовах, коли площина сканування перпендикулярна вектору швидкості переміщення лазерного променя, час існування розплаву поступово (після певного балансу, коли амплітуда сканування дорівнює радіусу плями фокусування (Рис.18а) зменшується. У обох випадках, глибина ванни розплаву поступово зменшується зі зростанням амплітуди сканування сфокусованого лазерного променя. Порівнюючи результати обробки скануючим лазерним випромінюванням (P_m=150Вт, V_x=20мм/с), сфокусованим у різні плями (r_p =0/2мм, r_p =0.3мм), коли за звичайних умов обробки (тобто =0) починається незначне випарювання поверхні, або її температура досягає межі фазового перетворення, зростання амплітуди сканування сфокусованого випромінювання в площині, перпендикулярній вектору швидкості V_x (коли A=0), веде до збільшення ширини ванни розплаву та зменшенні часу його існування. Порівнюючи влив розміру плями фокусування на параметри ванни розплаву (за рівних інших умов обробки), відмітимо, що збільшення плями фокусування веде до зменшення часу існування розплаву. Указане явище пояснюється меншою густиною лазерної енергії, що локалізована на поверхні зразка вздовж лінії обробки.

Таким чином, аналізуючи розрахунки, ми можемо зробити наступні висновки:

· впливаючи на закон, амплітуду та частоту додаткового сканування сфокусованого лазерного випромінювання ми маємо можливість керувати параметрами ванни розплаву.

· дійсне збільшення розмірів ванни розплаву (за допомогою додаткового сканування) найбільш доцільно проводити, на граничному режимі (для звичайної обробки, тобто =0), коли настає початок випаровування поверхні верхнього шару композиції;

· уникнення руйнування (за рахунок випару) композиції у “мертвих” точках амплітуди можливо за рахунок синхронного перекриття доступу лазерного випромінювання у зону оброки.

Аналогічні, вище описаним, явища протікають і при лазерному зварюванні, тобто термічні цикли повторюють періодичність появи джерела нагрівання (сфокусованого пучку лазерного випромінювання), причому через інерційність системи нагрівання, демпфуючий вплив фазових перетворень, дана залежність зменшується зі збільшенням глибини. У випадку лазерного зварювання, температура поверхні перевищує температуру кипіння стали. Пари металу й ерозійна плазма зменшують (унаслідок поглинання, відбивання і т.д.) кількість лазерної енергії, що досягає поверхні, яка обробляється (особливо у випадку низьких швидкостей обробки).

При збільшенні швидкості переміщення сфокусованого лазерного випромінювання, пік інтенсивності пучка “тікає” від плазми, що тим самим збільшує ефективність взаємодії сфокусованого лазерного пучку з оброблюваною поверхнею. В імпульсному режимі генерації (при збереженні середньої потужності випромінювання), потужність окремого імпульсу перевищує середню більш 3-х раз і досягає 600Вт, тому обробка на даних режимах дозволяє одержати велику глибину зварювальної ванни і час її існування.

При обробці сканючим лазерним пучком, через перерозподіл W_E(x,y) середня температура поверхні зменшується. Однак завдяки багаторазовому проходові сфокусованого пучка по зоні обробки і більш тривалому підведенню енергії, яка більш ефективно поглинається поверхнею деталі (через постійний відхід від плазми) і підтримує баланс на границі рідина - тверде тіло, збільшується час існування зварювальної ванни. Як і у випадку лазерної обробки напівпровідників та Rapid Prototyping, різкий ріст температури поверхні спостерігаються, коли сумарна швидкість сфокусованого пучка випромінювання й оброблюваної деталі дорівнює (або близька) нулеві. У випадку імпульсного режиму обробки, у моменти часу, коли, V 0 і збігається з моментом генерації, сплески температури поверхні особливо помітні. На Рис19 приведені результуючі залежності положення границь фронту плавлення h_m і часу існування зварювальної ванни t_m від швидкості переміщення деталі V_x при обробці електротехнічної сталі лазерним пучком в імпульсному режимі генерації з P_m =180Вт ( = 150Гц, t= 4.5мс), сфокусованим у пляму d₀ =0.3мм для різних частот сканування.

Як видно з залежностей, приведених на Рис.19, обробка на низьких швидкостях опромінення дозволяє одержувати зварені шви з максимальними глибиною і часом існування зварювальної ванни. Однак, через перегрів зони обробки, доцільним є обробка на максимальних швидкостях, зі скануванням сфокусованого пучку. При збільшенні частоти сканування до =75Гц, за рахунок природної теплопровідності, спостерігається баланс між енергією лазерного випромінювання, що поступає і теплом, що відводиться з зони лазерного впливу. У цьому випадку зменшується глибина ванни розплаву (у порівнянні з опроміненням з частотою = 65Гц). Однак, завдяки високій швидкості переміщення скануючого пучку, що постійно підігріває розплав, збільшується час його життя, що, безсумнівно, позначається на якості зварювання

Експериментальна перевірка отриманих результатів велась згідно загальної методики досліджень. Графічна інтерпретація результатів експериментів, присвячених дослідженню ТП лазерного зварювання магнітопроводу, приведена на Рис.20, Рис.21. Як видно з наведених залежностей, максимальні розміри зварювальної ванни: глибина (Рис.20а), її ширина (Рис.20б), а також зусилля на розрив (Рис.21) спостерігаються при застосуванні у якості інструменту скануючого сфокусованого лазерного пучку. Аналіз результатів, отриманих у результаті проведення обчислень (приведені на Рис.19) і експериментів (Рис.20, Рис.21) показує їхню якісну відповідність. Як показують проведені дослідження, максимальні зусилля на розрив спостерігаються при обробці сфокусованим лазерним пучком, який сканує з частотою = 75Гц (Рис.19-Рис.21), що пов'язано, як відзначалося, не з максимальною глибиною ванни розплаву, а часом її існування (Рис.19, залежність 4). Слід зазначити, що у випадку безперервного режиму генерації, при швидкостях обробки, що перевищують 0.8 м/хв, у всьому досліджуваному діапазоні частот сканування пучку не вдалося отримати якісне нероз'ємне з'єднання пластин магнітопроводу. Це зв'язано, очевидно, з малим часом існування рідкої ванни (менш 0.12 з, Рис19) і, відповідно, не повним протіканням дифузії.

Таким чином, у досліджуваному діапазоні змін швидкостей переміщення деталі, частот сканування і режимів генерації лазера, зварювання пластин ротора мікроелектродвигуна та пластин трансформатору доцільно здійснювати на граничній швидкості, з метою одержання максимальної продуктивності операції, та частотою сканування (в межах плями фокусування), що дорівнює 75Гц. На. На визначених режимах опромінення була оброблена дослідна партія мікроелектродвигунів і трансформаторів, стендові іспити яких встановили їхню відповідність виробам, що одержуються по стандартній технології

Проведені дослідження ТП Rapid Prototyping та отримані за допомогою розрахункових експериментів результати, повністю підтвердились при їх експериментальній перевірці.

Як і очікувалось, при проведенні досліджень ТП Rapid Prototyping встановлено, що шорсткість поверхні виробу (один з параметрів, котрий визначає якість обробки) залежить від параметрів порошкового матеріалу та режимів лазерної обробки, причому, для першої схеми обробки (схема спікання порошкового матеріалу “шар-за шаром” з його ущільненням за допомогою валків) характерним є те, що на оптимальних режимах обробки, шорсткість поверхні не залежить від напрямку руху переміщення сфокусованого випромінювання. Відсутність залежності величини шорсткості поверхні від напрямку руху сфокусованого випромінювання (для даної схеми реалізації процесу) пояснюється тим, що в даному випадку, обробка ведеться на режимах, при яких забезпечується лише “легке” підплавлення порошку. Як відмічалось раніше, при обробці порошку з заліза, при густині енергії сфокусованого лазерного випромінювання, яка перевищує 47,7Дж/мм² (Рис.5), деформування розплаву веде до “хвилеподібної” поверхні виробу. Утворення “хвиль” або неконтрольоване спотворення поверхні виробу також спостерігається й при обробці порошків з інших матеріалів (Рис.22).

При високій густині енергії сфокусованого лазерного випромінювання, за рахунок напруг, котрі виникають при застиганні розплаву, виникають хвилі (Рис.22a), причому період між їх вершинами не співпадає з кроком сканування. При збільшенні швидкості переміщення сфокусованого лазерного випромінювання, регулярна картина “хвиль” перетворюється у виникнення суцільної плівки сплавленого матеріалу з порами, котрі також спотворюють зовнішній вигляд виробу (Рис.22б). У випадку, коли частини деталі, яка створюється, оброблюються на різних режимах, можливе утворення тріщин, напрям яких співпадає з вектором швидкості переміщення сфокусованого випромінювання. Уникнути даного явища можливо за рахунок додаткового сканування лазерного випромінювання у плямі фокусування. При збільшенні швидкості руху сфокусованого випромінювання понад 60мм/с, вдається отримати нероз'ємне єднання (за рахунок не значного підплавлення часток) шарів зразка без значних недоліків.

Спотворення не тільки поверхні виробу, але й безпосередньо втрата їм своєї, наперед заданої кресленням форми, відбувається, також, при не врахуванні зростання густини лазерної енергії в “крайніх” точках амплітуди сканування сфокусованого лазерного випромінювання. Так, на Рис.23 зображено зразки з порошку ПГСР-3, котрі отримані на різних режимах лазерної обробки

При зменшенні швидкості переміщення сфокусованого випромінювання до 15мм/с, на вершинах квадрату (коли швидкість переміщення променя дорівнює нулю), відбувається не контрольоване накопичення тепла, котре веде не тільки до появи коагульованих часток порошку у вигляді “кульок”, але й “затягування” серцевини виробу (позиції 2,3,4 на Рис.23). Збільшення швидкості променя (для незначних розмірів зразка) до 30мм/с та “виключення” лазерного випромінювання на “вершинах” траєкторії руху променя, дозволяє уникнути вказаних недоліків (позиція 1 на Рис.23), що гарантує утворення виробу, який відповідає вимогам креслення деталі.

Для другої схеми обробки (схема вдування порошку у пляму фокусування), коли відбувається повне плавлення порошку та “підплавлення” попереднього шару, шорсткість поверхні виробу (як і для спорідненої технології - лазерній наплавці) залежить, на сам перед, від коефіцієнту перекриття доріжок. Слід зазначити, при даній схемі обробки, дрібні частини порошку, котрі налипають до розплаву у твердій фазі, не дають змоги отримання регулярного рельєфу поверхні виробу.

Під час виготовлення тонкостінних конструкцій, головним чинником, що веде до їх руйнування (Рис.24), є напруги, котрі виникають у деталі. Природа виникнення напруг у деталях, котрі виникають під час або після лазерної обробки добре досліджена, а головним методом їх покорення (крім внесення “пластифікаторів”) є створення сприятливих термічних циклів безпосередньо під час обробки, або об'ємному відпалу зразка після неї. Як відмічалося раніше, методом впливу на “теплову історію” зони термічного впливу є додаткове сканування лазерного випромінювання у плямі фокусування.

Слід зазначити, що зняття внутрішніх напруг, тобто утворення тріщини, відбулось приблизно через 60с, після закінчення вирощування. Застосування спеціальних заходів, тобто:

· додаткового сканування лазерного випромінювання у межах плями фокусування;

· додатковий нагрів зразка, котрий відбувається за допомогою сфокусованого лазерного випромінювання без подачі порошкового матеріалу, тобто за рахунок не продуктивного витрат часу роботи устаткування дозволяє уникнути не бажаного руйнування тонкостінної деталі.

При лазерному різанні напівпровідників, сканування сфокусованого пучка здійснювалося в площині, що збігається з напрямком вектору швидкості переміщення деталі (Рис.15). Вказане пояснюється тим, що саме цей режим забезпечує мінімальну ширину різу. Після реалізації плану експерименту, розрахунку коефіцієнтів рівняння регресії (для кожного відгуку) і перевірки статистичних гіпотез (які підтвердилися) були отримані адекватні моделі ТП лазерного різання напівпровідників.

Аналіз отриманих моделей дозволяє відзначити, що в досліджуваному факторному просторі, найбільший вплив на результат обробки роблять ті технологічні фактори, що впливають на перерозподіл густини енергії уздовж лінії різу - частота й амплітуда сканування.

Дане твердження особливе справедливо для моделі, що описує залежність шорсткості стінок різа від технологічних факторів. Вказане явище пояснюється тим, що найбільш критична до частоти появи тих моментів, коли сумарна швидкість переміщення деталі та сфокусованого променя V дорівнює або близька нулеві.

Слід зазначити, що у всьому досліджуваному факторному просторі, завдяки “пошаровому” зрізанню оброблюваного матеріалу (унаслідок багаторазового проходу сфокусованого пучку) утвориться наскрізний різ. Крім того, через перерозподіл W_E(x,y), різ також формується за рахунок перфорації елементарних отворів (утворених у моменти часу, коли V 0), що перетинають один одного.

В даному випадку, з-за наявності 6 статистично значимих ТФ, однопараметричне дослідження ТП лазерного різання напівпровідникових матеріалів значно ускладнюється. Це пов'язано з тим, що отримані математичні моделі не розкривають фізичну сутність процесів, котрі протікають в оброблювальному матеріалі і допускають будь-яке (в межах розумного) їх тлумачення. Крім того, очевидно, що дослідження ТП лазерної різки напівпровідників (з-за наявності 6 ТФ) можна проводити до безмежності.

Тому, при оптимізації ТП лазерного різання напівпровідників визначали режими обробки, що забезпечують мінімальну шорсткість стінок різу з максимальною продуктивністю в обмеженому просторі проектування. При чому, вважали, що ширина різу не повинна перевищувати 50мкм. Оптимізаційну задачу вирішували методом “штрафних функцій”, використовуючи як метод-організатора пошуку метод Хука-Дживса. Після рішення оптимізаційної задачі та експериментальної перевірки результатів, були встановлені режими обробки, що забезпечують лазерне різання полікристалічного кремнію товщиною 0.3-0.5мм, шорсткістю стінок різу менш 8мкм шириною 0.045мм. Природно, на зазначених вище режимах можлива різка і монокристалічного кремнію. Так додаткові експерименти показали, що в цьому випадку (матеріал монокристалічний кремній товщиною 0.3мм) ширина різу дорівнює 0.04мм, а шорсткість стінок менш 0.8мкм (виміри лімітувалися межею виміру мікроскопу Лінніка). Зменшення шорсткості стінок і ширини різу можна пов'язати зі стабільною товщиною заготовки (у відмінності від полікристалу, товщина якого має значні не контрольовані коливання).

На встановлених режимах обробки була виготовлена дослідна партія заготовок (40 шт.), з яких, у наступному виготовлялися сонячні елементи за стандартною технологією. Натурні іспити показали, що їх к.к.д. на 5-6% вище, ніж у сонячних елементів, виготовлених за допомогою звичайного лазерного різання. Це зв'язано з тим, що зона термічного впливу в стандартних на 30% більше (встановлене за допомогою методу парамагнітного резонансу Подчерняєвою І.О.), чим у зразків, виготовлених за допомогою розробленої технології.

Зазначимо, що завдяки скануванню сфокусованого лазерного випромінювання в плямі фокусування, з'являється можливість високоякісної обробки композицій метал -напівпровідник -метал. Так, на встановлених режимах була виготовлена дослідна партія мікроконденсаторів розміром 0.2*0.2мм. Вироби вирізались з заготівлі діаметром 100мм та товщиною монокристалічного кремнію 0.2мм, товщиною золотого покриття 0.1мм). Наступні іспити готових виробів показала їхню повну відповідність мікроконденсаторам, що отримані по стандартній технології.

Аналізуючи отримані результати зазначимо, що “пошарове” зрізання матеріалу, що обробляється (внаслідок багаторазового проходу сфокусованого пучку) може стати у нагоді й при реалізації інших технологічних процесів.

Розроблена технологія обробки матеріалів, яка базується на багаторазовому “пошаровому” різанні також була застосована для формоутворення виробів з природних алмазів, виконання операції відрізання осей мікро електродвигунів, свердлення отворів у лопатках газотурбінних двигунів (матеріал - сплав ЖС6К) та сопел спеціального призначення (матеріал - синтетичний алмаз) та багатьох інших. В усіх випадках був використаний принцип “пошарового” зрізання шару матеріалу, причому при обробці отворів також використовували поступове заглиблення фокальної площини об'єктиву, що фокусує, в тіло деталі.

Багатопрохідна обробка (з застосуванням сфокусованого лазерного випромінювання, що сканує) може використовуватись при виконанні різноманітних реставраційних робіт. На приклад, заварюванні бракованих соплових отворів у форсунках дизельних двигунів. При реалізації процесу, в якості матеріалу, що наплавляється, використовували порошок ПГСР-3, який подавався в місце дії сфокусованого лазерного випромінювання (потужність 200Вт, частота слідування імпульсів 150Гц). Зазначимо, що герметичність та міцність заварених форсунок була перевірена при тиску 200Атм. При цьому не було виявлено розриву форсунок, що свідчить про придатність розробленого методу для реставрації соплових отворів паливної апаратури.

Дослідження, які були проведені у 4 розділі, дозволили встановити:

· мікросканування (тобто у межах зони обробки) сфокусованого пучку лазерного випромінювання дозволяє підвищити продуктивність і якість різноманітних лазерних технологічних процесів;

· підвищення продуктивності і якості обробки пояснюється перерозподілом густини енергії лазерного випромінювання на поверхні оброблюваної деталі і більш ефективним поглинанням лазерного пучку її поверхнею;

· при лазерному зварюванні, прототипуванні (наплавці) сканування лазерного випромінювання в межах плями фокусування веде до зниження температури поверхні, яка обробляється, і росту часу існування (або розмірів) ванни розплаву;

· при лазерному різанні напівпровідникових матеріалів, підвищення продуктивності і якості обробки пояснюється їх “пошаровим” зрізанням і “перфорацією” (у моменти часу, коли сумарна швидкість деталі, яка обробляється, і сфокусованого пучку дорівнює або близька “нулеві”);

· при лазерному різанні напівпровідників мінімальна ширина різу гарантується у випадку, коли сканування сфокусованого пучка здійснюється в площині, яка збігається з вектором швидкості переміщення деталі;

· у досліджуваному факторному просторі, найбільша продуктивність операції зварювання можлива у випадку застосування випромінювачів, що працюють в імпульсному режимі генерації з додатковим скануванням пучка;

· лазерне зварювання пластин магнітопроводу не погіршують параметрів готових виробів (у порівнянні зі стандартною технологією);

· лазерне різання напівпровідників з додатковим скануванням сфокусованого пучку дозволяють підвищити якість готових виробів;

· додаткове сканування лазерного випромінювання (в межах плями фокусування) дозволяє зменшити напруги (які виникають під час фазових та структурних перетворень) в деталі, яка створюється за допомогою технології Rapid Prototyping

· анізотропія теплофізичних властивостей матеріалу, який обробляється, впливає на якість розкрійних операцій, технології Rapid Prototyping

П'ятий розділ дисертаційної роботи присвячений оптимізації конструкцій освітлювачів технологічних лазерів на АІГ та дослідженню термонапруженого стану активного елементу.

Як і при проектуванні ТП, дослідження проводились за допомогою розрахункових експериментів та експериментальній перевірці їх результатів. Розрахункові експерименти проводились по двом напрямкам.

Перший (оснований на матричній оптиці та нелінійному програмуванню) дозволяв встановлювати зв'язок між конструктивними особливостями системи освітлення, параметрами ламп спалаху, розмірами активного елемента з к.к.д. системи, законом розподілу світла лампи спалаху по поверхні активного елемента та інше. Як показали розрахункові експерименти, для конструкцій освітлювачів, за умов:

· “непрозорості” плазми лампи спалаху (випадок імпульсного режиму генерації лазера);

· можливості збирання конструкції;

загальним є:

· збільшення розміру внутрішнього радіусу колби лампи спалаху веде до зниження к.к.д. системи освітлення;

· збільшення відстані між осями лампи спалаху та активного елементу також спостерігається зниження к.к.д. системи освітлення;

· дволампові системи забезпечують більш рівномірний відносний розподіл густини потужності світла ламп спалаху по поверхні активного елемента, проте, їх к.к.д нижчий ніж однолампових з однаковими параметрами.

Другий, (термосиловий) дозволив встановити зв'язок між попередньо встановленими параметрами системи освітлення та напружено-деформованим станом активного елементу, визначати працездатність системи. У даному випадку, розрахунки виконувались за допомогою пакета прикладних програм ОКА-5 у наступній послідовності:

- шляхом багаторазового вирішення крайової задачі нестаціонарної теплопровідності при заданих постійних (постійна накачка) або циклічно змінюваних граничних умовах (імпульсна накачка) вийти на “стаціонарний” термічний режим кристалу;

- розрахувати напружено - деформований стан кристала лазера при деяких проміжних і кінцевому “стаціонарному” термічному режимі кристалу;

- по величинах напруг, деформацій і переміщень в особливих зонах кристала зробити висновки про його міцність і працездатність.

Перевірка адекватності розрахунків виконувалась на експериментальному стенді, який дозволяв визначати розміри променя He-Ne лазера, який пройшов наскрізь активний елемент. Активний елемент встановлювався в серійний еліптичний освітлювач технологічного лазера (велика вісь еліпса (2a)-30мм, мала вісь еліпса (2b)-27мм; відстань між фокусами (2c)-13.5мм) який приєднаний до систем накачування та охолодження. У фокусах даного еліптичного циліндра встановлений активний елемент із діаметром 6.3 мм довжиною 100мм і лампа накачування (ДНП 6/90) із внутрішнім діаметром колби, рівним 6мм.. Як показали розрахунки, стандартна система освітлення створює значну нерівномірність розподілу світла лампи спалаху по поверхні активного елементу, що позначається на властивостях лазерного технологічного устаткування, яке серійно виготовляється. Значна неоднорідність теплового потоку створює не симетричні поля напруг та деформацій, що позначається на астигматизмі теплової лінзи, яка наведена на активному елементі, дрейфу осі лазерного променя.

Аналізуючи вище наведене зазначимо, що розроблена методика забезпечує можливість науково обґрунтованого проектування вузлів лазерних систем з:

· максимальним ККД передачі світла систем накачки лазерів на твердому тілі до активного елементу;

· оптимальною конфігурацією випромінювачів лазерів на ІАГ потужністю 10-800Вт та довжиною хвилі випромінювання 1.06мкм

Розроблені методики були покладені при проектуванні випромінювачів технологічних лазерів, які працюють в імпульсному режимі генерації з середньою потужністю випромінювання 400-800Вт. При чому, вказані випромінювачі використовували як стандартні освітлювачі так і спеціально спроектовані.

Шостий розділ дисертаційної роботи присвячений розробці математичного забезпечення, котре дозволяє перетворювати плоскі зображення (географічні карти, фотографії, малюнки та гравюри) у псевдо 3-х вимірні образи.

Найбільш просте створення 3-х мірного виробу, методами Rapid Prototyping, по його плоскому образу, можливо при обробці зображень, представлених у виді географічних мап. Звичайна фізична (топографічна) мапа містить усю необхідну інформацію для перетворення її в *.STL-файл (котрий, в подальшому, обробляється системою ЧПК обладнання Rapid Prototyping): лінійний масштаб, лінії рівного рівня (шкали глибин зафарбовані в один колір) і т.д., що рівнозначно завданню креслення виробу. В даному випадку (на приклад для кольорової мапи), достатньо виділити на зображенні границі площин рівного кольору, інтерполювати (аппроксимувати) контури в горизонтальній площині, а потім (за допомогою масштабів) кусочно інтерполювати (апроксимувати) у поверхню. Зовсім інша ситуація виникає при необхідності створення 3-х мірної копії об'єкта, зображення якого існує у вигляді плоского графічного образа, на приклад - фотографії або картини написаної живописцем.

На відміну від людського розуму, що дозволяє представити плоский образ у просторі (завдяки знанням властивостей об'єкта, оцінці його освітленості, перспективі і т.д.) простий поділ зображення на площині рівної яскравості (аналогічно з фізичною картою) не гарантує одержання задовільного результату. Застосування даного методу дає задовільний результат у випадку, коли яскравість кожної точки плоского зображення залежить тільки від її освітленості та визначеного положення джерела світла в просторі. Це можливо:

· при виготовленні об'єкта з одного матеріалу з однаковою шорсткістю поверхні, тобто однаковим коефіцієнтом відбивання світла;

· при положенні джерела світла на осі предмета, причому, перпендикулярно площині зображення;

· при освітленні розсіяним (дифузійним) джерелом світла;

· при створенні «контуру» зображення.

Методом, який застосування якого можливе при перетворення плоского зображення на 3-хвимрне є метод, який заснований на використанні процедур визначення контуру зображення за допомогою, так званих, матриць згортки від 3х3 і більш пікселів. При чому, сума ваг у ядрі дорівнює 0. Вказаний метод дозволяє значно поліпшити псевдо трьохвимірну модель плоского образу.

Побудова віртуальної моделі плоского образу також можлива при використанні як об'єкту відтворення високоякісних гравюр (на приклад, портрети державних діячів, зображені на банкнотах). У загальному випадку, ми можемо представити гравюру у вигляді проекції деякої поверхні на площину YOX. У цьому випадку, для перетворення плоского зображення в 3-х мірну модель необхідно:

· зробити трасування зображення;

· апроксимувати (інтерполювати) ділянки ліній гравюри (прямими, кривими 2, 3 порядку);

· задати початковий рівень по осі OZ і початковий кут нахилу дотичної до поверхні;

· апроксимувати елементарну площадку поверхнею першого (3х2 або 2х2 вузли) або другого порядку (3х3 вузли).

При побудові плоских зображень 3-х мірних об'єктів (пряма задача) і відбудови і розпізнавання 3-х мірних об'єктів по їх плоским зображенням можливе застосування методів трасування променів. Основною даних методів є моделювання процесів поширення світла (відбивання, розсіювання і переломлення) у рамках геометричної оптики. Слід зазначити, що точність відтворення залежить від точності завдання коефіцієнтів відбивання (дифузійних і дзеркального ) точок поверхні об'єкта. Для одержання віртуальної моделі об'єкта і наступного його відтворення методом Rapid Prototyping, метод трасування променів може бути значно спрощений. Так, на приклад, можливо:

· виділення границь об'єктів, що володіють різними коефіцієнтами дифузійного і дзеркального відбивання;

· використання евристичних знань про властивості (виду поверхонь обмежуючий об'єкт) предмета відтворення;

· завдання вигляду джерела освітленості ін.

При цьому, для автоматичного визначення зовнішніх і границь об'єктів можуть бути використані методи виділення площин рівної яскравості.

Використовуючи вище названі спрощення і модель освітленості Уиттеда ми можемо одержати найбільш реалістичні віртуальні моделі об'єктів. Так, на Рис.27 наведений приклад перетворення відомої картини Доменіко Гірландайо «Портрет Джованни Торнабуоні» у 3-х мірну модель.

Спочатку, зображення полотнини було розбито на 50х50 елементарних площин із розміщенням у них зображення, поділеного на площині рівної яскравості з завданням висоти кожного шару. Після рішення ряду прямих задач, кількість елементарних площин бути збільшене до 125х200.

В результаті проведених розрахунків ми маємо можливість висловити наступне:

· для побудови віртуальної 3-х мірної моделі образу може бути використано його плоске зображення;

· дане зображення може бути представлене у вигляді фотографії, полотнини написаного живописцем, гравюри;

· для перетворення плоского зображення у віртуальну 3-х мірну модель можуть бути використані методи розподілу зображення на площині рівної яскравості і методи відновлення образів

ВИСНОВКИ

В результаті проведених досліджень можемо зробити наступні висновки:

1. На основі теоретичного аналізу процесу взаємодії лазерного випромінювання з речовиною встановлено, що можуть бути розроблені та застосовані нові технологічні схеми обробки з більш ефективним механізмом використання теплової енергії для технологічних цілей, за рахунок створення оптимальних теплових джерел в заготівці, що обробляється.

2. Визначено, що найбільш ефективний вплив на часові та просторові характеристики теплового джерела здійснює додаткове мікросканування лазерного променя в межах зони обробки.

3. Розроблено, теоретично та експериментально перевірено, що параметри та закон мікросканування сфокусованого лазерного випромінювання визначаються типом технологічної операції та матеріалом, який обробляється.

4. Шляхом теоретичних та експериментальних досліджень встановлено, що за характером впливу на результат обробки, мікросканування сфокусованого лазерного випромінювання може бути віднесено до технологічних параметрів процесу обробки.

5. Для підвищення достовірності отриманих результатів розроблені та використані методики визначення реальних оптичних властивостей заготівки, яка виготовлена з різних матеріалів. Зокрема встановлено, що підвищення інтенсивності опромінення в зоні обробки заготовок з деяких напівпровідників (моно та полікристалічний кремній) приводить до зниження ефективності обробки, а порошкові матеріали при кімнатній температурі поглинають лазерне випромінення в 1.5рази краще, ніж їх аналоги з суцільних матеріалів, але при підвищенні температури до 800⁰С, коефіцієнт поглинання лазерного випромінювання порошкових матеріалів нівелюється із значенням коефіцієнту поглинання їх суцільних аналогів.

6. Також встановлено що,

· мікросканування сфокусованого лазерного випромінювання, як додатковий параметр обробки, дозволяє врахувати анізотропію теплофізичних властивостей матеріалу, що обробляється, для мінімізації варіації результатів обробки. Так, при реалізації технології Rapid Prototyping, стабільність товщини шару, що спікається, була підвищена при застосуванні мікросканування на режимах, які враховують різницю теплофізичних властивостей порошкової суміші та отриманого (на попередньому переході) сплаву;

· при виконанні операцій лазерного зварювання та прототипування, шляхом мікросканування сфокусованого лазерного променю вдалося керувати розмірами ванни розплаву без підвищення температури в зоні обробки;

· останній шлях впливу на зону опромінення дозволяє при лазерному різанні матеріалів підвищити ефективність та якість обробки внаслідок їх пошарового зрізання пучком випромінення, який постійно сканує в межах зони обробки, без втрат продуктивності.

7. Результати теоретичних та експериментальних досліджень сформовані до інженерного рівня проектування технологічних операцій, за рахунок використання чисельного аналізу теплових процесів (без суттєвого масопереносу) та створення банку даних, необхідних для формалізованого використання сучасних експериментальних методів проектування (рангові діаграми, ефективні плани і алгоритми для моделювання та оптимізації).

8. Виконані дослідження та отримані результати дозволяють стверджувати, що в представленій роботі, підвищення ефективності лазерної обробки (для більшості технологічних операцій) досягнуто за рахунок розробленого принципу технологічно забезпеченого використанням інструменту нового зразка, часові та просторові характеристики якого змінюються під час операцій, пристосовуючись до умов обробки.

Справедливість отриманих теоретичних та експериментальних результатів перевірена при розробці ряду технологічних процесів та обладнання.

основні публікації за темою дисертації

1. Лазерні технології та комп'ютерне моделювання : Монографія / [Л.Ф. Головко, С.О.Лукя'ненко, Абасова Гофар та ін.] ; під ред. Л.Ф. Головко, С.О.Лукя'ненко. - К.: Вістка 2009. - 296с. Здобувачем запропоновано методи визначення оптимальних режимів лазерної поверхневої обробки за допомогою чисельних експериментів.

2. Коваленко В.С. Проектирование и оптимизация операций упрочняющей лазерной обработки / В.С.Коваленко, В.П.Котляров, Н.И.Анякин // Электронная обработка материалов. - 1995. - №1. - С.25-36 Здобувачем розроблено методи визначення оптимальних режимів обробки шляхом вирішення обернених задач теплопровідності.

3. Дослідження процесу лазерного зварювання пластин магнітопроводу / В.С.Коваленко, М.І.Анякін, А.М.Лутай [та ін.] // Наукові вісті НТУУ “КПІ” - 1999. - вип.2. - С.10-20. Здобувачем розроблена схема устаткування та проведено моделювання технології з обробкою результатів іспитів.

4. Лазерный робототехнический комплекс с передачей энергии по оптическому волокну / Коваленко В.С., Н.И.Анякин, Понамарёв И.С. [и др. ] // Технологічні системи. - 2000. - №4. - С.30-36. Здобувачем розроблено лазений комплекс та його технологічні застосування.

5. Laser welding of slices of a magnetic circuit / V.Kovalenko, Y. Uno, M.Anyakin [at al.] // Memoirs of the Faculty of Engineering, Okayama University. - 2001. - Vol.35. - №.1&2. - Pages 21-28. Здобувачем запропоновано застосувати додаткове сканування лазерного випромінювання, проведено моделювання технології та обробку результатів експериментів.

6. Laser cutting of semiconductor elements / V.Kovalenko, Y.Uno, M.Anyakin [at al.] // International Journal on Electrical Machining of Materials (Japan). - 2002. - #7, January. - Pages 9-14 Здобувачем розроблено схему експериметального стенду та стратегія проведення досліджень.

7. Повышение производительности и качества лазерной обработки материалов / В.Коваленко Й.Уно, Н.И.Анякин [и др. ] // Автоматическая сварка. - 2001. - №12. - С. 35-42. Здобувачем запропоновано універсальний щлях підвищення ефективності обробки.

8. Planning and Optimization of Laser Material Welding and Cutting / V S. Kovalenko, M.I. Anyakin, Y.Uno [at al.] // CIRP - Journal of Manufacturing Systems. - 2004. - Vol. 33. - №5. - Pages 19-24. Здобувачем розроблено алгоритми визначення оптимальних режимів обробки

9. New development in laser sintering of diamond disk / V.Kovalenko, L.Golovko, J.Meiger, M.Anyakin // CIRP Annals - Manufacturing Technology. - 2007. - Vol. 56. - Issue 1. - Pages 189-192. Здобувачем розроблено схему експериметального стенду.

10. Про створення скінченно-елементної моделі ендопротеза / К.М. Рудаков, В.С. Коваленко, М.І.Анякін [та ін.] // Вісті Академії інженерних наук України. - 2007. - №4 (34). - С.4-8. Здобувачем розроблено алгоритми визначення оптимальних конструкцій виробів.

11. Особливості проектування операцій лазерної обробки деревини / В.П.Котляров, Є.С.Ярмоленко М.І.Анякін [та ін.] // Наукові вісті НТУУ “КПІ” -2008. - Вип.1. - С.47-55. Здобувачем розроблено алгоритми визначення оптимальних режимів обробки.

12. Лазерное спекание алмазосодержащих инструментальных композитов / Л.Ф.Головко, Омидвари Эсхан, Н.В.Новиков, [та ін.] // Проблеми трибології Вісник Хмельницького державного технічного університету. - 2008. - №2. - С. 98-104. Здобувачем розроблено схему експериметального стенду.

13. Применение лазерной технологии для спекания алмазосодержащих композиционных материалов / Л.Ф.Головко, Омидвари Эсхан, Н.В.Новиков, [та ін.] // Автоматическая сварка. - 2008. - №8. - С. 15-23. Здобувачем розроблено схему експериметального стенду.

14. Повышение триботехнических характеристик деталей тяжелонагуженных узлов трения / Л.Ф.Головко, Саллавати Хамид, Н.И.Анякин [та ін.] // Проблеми тертя та зношування: Науково-технічний збірник. К.НАУ. -2008. - Вып.49.- С.175-184. Здобувачем розроблено алгоритми визначення оптимальних режимів обробки.

15. Котляров В.П. Способы и средства для не режимного совершенствования операций размерной обработки элементов печатных форм / В.П.Котляров, Фархуд Хамеди, Н.И.Анякин // Технологія і техніка друкарства. - 2008 - №4. - С.24-34. Здобувачем розроблено ряд конструкцій для покращення результаттів обробки.

16. Study of the Process of Rapid Prototyping with laser beam / V.Kovalenko, M.Anyakin, R.Zhuk [at al.] // Технологічні системи. - 2009. - №45/1. - С.36-46. Здобувачем запропоновано застосувати додаткове сканування лазерного випромінювання, проведено моделювання технології.

17. Дослідження технології лазерної обробки стентів / В.Коваленко, М.Анякін, Р.Жук // Технологічні системи. - 2009. - №46/2. - С.36-46.Здобувачем запропоновано застосувати лазерне фрезерування стенту, проведено моделювання технології.

18. А.С. 1570172 СССР, МКИ³ B23K 26/00 Способ электролазерной обработки / В.П.Дятел, А.М.Парамонов, Н.И.Анякин (СССР) - № 4470080 ; заявл. 05.08.88 ; опубл. 08.02.90. Здобувачем запропоновано подавати електричні розряди у зону дії випромінювання.

19. А.С. 1575460 СССР, МКИ³ B23K 26/00 Способ лазерной наплавки / В.П.Дятел, В.Т. Созиев, Н.И.Анякин (СССР) - № 4489635 ; заявл. 03.10.88 ; опубл. 01.03.90. Здобувачем запропоновано подавати електричні розряди у зону дії випромінювання з ряду електродів

20. А.С. 1580705 СССР, МКИ³ B23K 26/00 Способ лазерной наплавки / В.П.Дятел, А.М.Парамонов, Н.И.Анякин (СССР- № 4639774 ; заявл. 19.01.89; опубл. 22.03.90. Здобувачем запропоновано застосувати додаткове сканування дуги навколо плями фокусування.

21. Kovalenko V. The Opportunities to Use Laser Technology in the Object “Shelter” of the Chernobyl Atomic Station. / V.Kovalenko, M.Anyakin, Y.Karpachyov // “Proceedings of International Congress “ICALEO'97”, San Diego, USA. Nov. - 1997. - Vol.83. - Part 2. - Pages E53-E58. Здобувачем запропоновано заміну гідроабразивного різання труб у залі барбатері на лазерну, прийто участь у складанні комплекса та проведенні досліджень.

22. Gas-Powder Laser Cladding with Electro-Magnetic Agitation / V.Kovalenko, M.Anyakin, A.Lutai [at al.] // “Proceedings of International Congress “ICALEO'97”, San Diego, USA. Nov. - 1997. - Vol.83. - Part 2. - Pages F21-F26. Здобувачем запропоновано використовувати додаткове електромагнітне перемішування рідкої ванни, яка утворилась в зоні дії лазерного випромінювання, проведено дослідження процесу.

23. Kovalenko V. Robotized Laser Technology - Solution for the Problem of Destroyed Reactor Dismantling at Chernobyl Atomic Station / V.Kovalenko, M.Anyakin, Y.Karpachyov // “Proceedings of 12^th International Symposium for Electromachining (ISEM), VDI Verlag GmbH. Dusseldorf. - 1998. - Pages 613-622 Здобувачем обгрунтовано застосування лазерної технології для декомпозиції обєкту «Укриття» та прийнто участь розробці робототехнічних комплексів та технологій.

24. Modeling and Optimization of Laser Semiconductors Cutting / V.Kovalenko, Y.Uno, M.Anyakin [at al.] // “Proceedings of International Congress “ICALEO'2000”,Detroyt, USA, Nov. - 2000. - Vol.90. - Pages D82-D92. Здобувачем запропоновано застосування засобів ПФЕ для моделювання технології.

25. Laser technology application in transformers and electro motors manufacturing / V.Kovalenko, Y.Uno, M.Anyakin [at al.] // “Proceedings of XIII International Symposium for Electromachining (ISEM), Bilbao, Spain. - 2001. - Vol.II - Pages 839-850 Здобувачем розроблено чисельне моделювання технології та обгрунтовано обробка в імпульсному режимі лазера.

26. Planning and Optimitzation of laser material welding and cutting / V.Kovalenko, M.Anyakin, A. Kozyrev [at al.] // Proceeding of the 35^th CIRP International Seminar on Manufacturing Systems “Manufacturing Technology in the Information Age”, May 13-15, Seoul, Korea. - 2002. - Pages 588-595. Здобувачем розроблено моделювання та обтимізація технологічних процесів.

27. Studying of Laser Processed Material Optical Parameter Dependencies from Temperature / V.Kovalenko, M.Anyakin, J.Meijer [at al.] // “Proceedings of International Congress “ICALEO'2002”, Scottsdale, USA, Oct. 2002 [Електронний ресурс] / LIA - 2002. - 1 електрон. опт. диск (CD-ROM) ; 12 см. -- Систем. вимоги: Pentium ; 32 Mb RAM ; Windows 95, 98, 2000, XP. -- Назва з контейнера. Здобувачем запропоновано методика визначення оптичних параметрів матеріалів.

28. Kovalenko V. Laser 3d objects prototyping using their flat images / V. Kovalenko,, M.Anyakin V.Anyakin // “Proceedings of International Conference on Laser Technology in Welding and Materials Processing ”, Katsiveli, Ukraine May. 2003. -2003. Pages 183-187. Здобувачем розроблені методи перетворення плоских зображень у їх віртуальні 3-х вимірні моделі.

29. Laser 3D prototypes forming from metal and ceramic materials / V. Kovalenko, M.Anyakin, J.Meijer [at al.] // “Proceedings of International Congress “ICALEO'2003”, Jacksonville, USA, Oct. 2003 [Електронний ресурс] / LIA - 2003. - 1 електрон. опт. диск (CD-ROM) ; 12 см. -- Систем. вимоги: Pentium ; 32 Mb RAM ; Windows 95, 98, 2000, XP. -- Назва з контейнера. Здобувачем розроблено схему універсального устаткування та стратегія проведення досліджень.

30. Study of the Process of Rapid Prototyping using Numerical Experiments / K.Rudakov, M.Anyakin, V. Kovalenko [at al.] // Proceedings of International Conference on Laser Technology in Welding and Materials Processing ”, Katsiveli,Ukraine May. 2005. - 2005. Pages 141-147. Здобувачем розроблено алгоритми проведення досліджень.

31. Optimal Conditions for Process of Rapid Prototyping / M.Anyakin, P.Kondrashov, A.Mukhoid, A.Stepura, V.Kovalenko [at al.] // Proceedings of International Conference on Laser Technology in Welding and Materials Processing ”, Katsiveli,Ukraine May. 2005. - 2005. Pages 135-140. Здобувачем розроблено послідовність визначення оптимальних режимів обробки.

32. The Configuration of Industrial Laser System for Layer-by-Layer 3D Forming of Solid Objects / L.Oleschuk, R.Zhuk, M.Anyakin [at al.] // Proceedings of International Conference on Laser Technology in Welding and Materials Processing ”, Katsiveli,Ukraine May. 2005. - 2005. Pages 67-70. Здобувачем розроблені схеми устаткування для реалізації технології Rapid Prototyping.

33. Study of the Process of Rapid Prototyping with laser beam / V.Kovalenko, M.Anyakin, R.Zhuk [at al.] // “Proceedings of International Congress “ICALEO'2006”, Scottsdale, USA, Oct. 2006 / LIA - 2006. - 1 електрон. опт. диск (CD-ROM) ; 12 см. -- Систем. вимоги: Pentium ; 32 Mb RAM ; Windows 95, 98, 2000, XP. -- Назва з контейнера. Здобувачем запрпоновано метод керування розмірами та часу існування рідкої ванни та розроблено програмне забезпечення.

34. The increase of productivity and quality of laser machining / V. Kovalenko, M.Anyakin, R.Zhuk, [at al.] // “Proceedings of 15^th International Symposium for Electromachining (ISEM-XV)”, Pittsburg, May 11-13, 2007. - 2007. - Pages 439-444. Здобувачем розроблено шлях визначення оптимальних режимів обробки.

35. Study of the Assist Gas Flow during Laser Cutting of Tube Workpieces and its Applications in Medicine / R. Zhuk, M.Anyakin, P.Kondrashev [at al.] // “Proceedings of International Conferences 5th LANE 2007” Sept. 25 - 28, 2007 Erlangen, Germany - 2007. - 1 електрон. опт. диск (CD-ROM) ; 12 см. -- Систем. вимоги: Pentium ; 32 Mb RAM ; Windows 95, 98, 2000, XP. -- Назва з контейнера. Здобувачем запрпонована схема контролю процеса лазерного різання.

36. Study of the work gas flow on the laser cut parameters in tube workpiece / R. Zhuk, M.Anyakin, P.Kondrashev [at al.] // “Proceedings of International Congress “ICALEO'2007”, Orlando, USA, Nov. 2007 / LIA - 2007. - 1 електрон. опт. диск (CD-ROM) ; 12 см. -- Систем. вимоги: Pentium ; 32 Mb RAM ; Windows 95, 98, 2000, XP. -- Назва з контейнера. Здобувачем запрпонована схема розрахунків робочих сопел.

37. Some results of studying laser micromachining at medical stents manufacturing / V. Kovalenko, J. Meijer, M.Anyakin, [at al.] // “Proceeding 6th International Symposium on Nanomanufacturing (ISNM 2008), Aphene, Greece - 2008. - 1 електрон. опт. диск (CD-ROM) ; 12 см. -- Систем. вимоги: Pentium ; 32 Mb RAM ; Windows 95, 98, 2000, XP. -- Назва з контейнера. Здобувачем запрпонована схема обробки та визначені оптимальні режими різання.

АНОТАЦІЯ

Анякін М.І. Основи розробки технологічних засобів підвищення ефективності лазерної обробки. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.03.07 - Процеси фізико-технічної обробки. - Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут». - Київ, 2010

Дисертація присвячена розробці основ підвищення продуктивності і якості лазерної технології (Rapid Prototyping, зварювання, різання, срайбування та інших). За допомогою комп'ютерного моделювання та проведення досліджень засобами планування експериментів встановлено, що єдиним шляхом підвищення продуктивності та якості лазерної технології (без підводу додаткових джерел енергії у зону дії сфокусованого лазерного випромінювання) є керування законом розподілу густини енергії у зоні обробки. Причому, найбільш простий шлях вирішення задачі є додаткове сканування лазерного випромінювання. Сумісно з оптимізацією режимів обробки, впливаючи на закон сканування, можливо впливати на розміри, час існування ванни розплаву, ширину та шорсткість поверхні різу та інше. Крім того, керуючи режимами лазерної обробки можливо уникнути впливу анізотропії теплофізичних властивостей матеріалів, які оброблюються, на якість операції. Розроблені методики та пристрої дозволяють визначати температурні залежності оптичних властивостей матеріалів, які обробляються, та вести моніторинг процесу. Для розрахунку оптимальних конструкцій освітлювачів технологічних лазерів розроблена розрахункова методика, яка дозволяє адекватно визначати розподіл світла ламп спалаху по поверхні активного елементу, к.к.д системи освітлення та інше. В роботі наводяться алгоритми, які дозволяють перетворювати плоскі зображення (географічні карти, фотографії та інше) в їх псевдо 3-х вимірні образи, які (в подальшому) можуть бути використані для відтворення у системах швидкого прототипування. Наведено ряд прикладів реалізації створеного устаткування та технологій (швидкого прототипування, різання, свердлення, зварювання та інше), у яких використано розроблені методи та пристрої.

Ключові слова: лазер, лазерні технології, моделювання, оптимізація

АННОТАЦИЯ

Анякин Н.И. Основы разработки технологических средств повышения эффективности лазерной обработки. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени доктора технических наук по специальности 05.03.07 - Процессы физико-технической обработки. - Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт». - Киев, 2010

Диссертация посвящена разработке основ повышения производительности и качества лазерной технологии (Rapid Prototyping, сварка, резание, срайбирование и пр.) без привлечения в зону действия сфокусированного лазерного излучения дополнительных источников энергии. С помощью вычислительных экспериментов, с использованием в качестве модели процесса многомерного, нестационарного, нелинейного уравнения теплопроводности, с учетом фазовых переходов (заменяемого конечно-разностным аналогом на неравномерной пространственно - временной сетке и решаемого методом прогонки) и проведения исследований методами планирования экспериментов установлено, что единственным путем повышения производительности и качества лазерной технологии (без подвода дополнительных источников энергии в зону действия сфокусированного лазерного излучения) есть управления законом распределения плотности энергии в зоне обработки. Причем, наиболее простой путь решения данной задачи является дополнительное сканирование лазерного излучения в пределах зоны действия сфокусированного лазерного излучения (микросканирование). Совместно с оптимизацией режимов обработки, влияя на закон сканирования, возможно управлять размерами, временем существования ванны расплава (без увеличения температуры в зоне действия сфокусированного излучения), шириной и шероховатостью поверхности реза и прочее. Таким образом, микросканирование сфокусированного лазерного излучения может быть отнесено к технологическим параметрам процесса обработки. Установлено, теоретически и экспериментально проверено, что параметры и закон микросканирования сфокусированного лазерного излучения определяются типом технологической операции и материалом, который обрабатывается. Кроме того, управляя режимами лазерной обработки, законом микросканирования, возможно избегать влияния анизотропии теплофизических свойств обрабатываемых материалов на результат и качество выполняемой операции. Разработанные методики и устройства позволяют определять температурные зависимости оптических свойств обрабатываемых материалов от температуры и вести мониторинг процесса. Для повышения достоверности полученных результатов разработаны и использованы методики определения реальных оптических свойств заготовки, которая изготовлена из разных материалов. В частности установлено, что повышение интенсивности облучения в зоне обработки заготовок из некоторых полупроводников (моно и поликристаллический кремний) приводит к снижению эффективности обработки, а порошковые материалы при комнатной температуре поглощают лазерное излучение в 1.5раза лучше, чем их аналоги из сплошных материалов, но, при повышении температуры до 800⁰С, коэффициент поглощения лазерного излучения порошковых материалов нивелируется со значением коэффициента поглощения их монолитных аналогов. Для расчета оптимальных конструкций осветителей технологических лазеров разработана расчетная методика, которая позволяет адекватно определять распределение света источников освещения (ламп вспышки, диодов) по поверхности активного элемента, к.п.д системы освещения и прочее. Также, с помощью термосилового расчета устанавливается напряженно-деформированное состояние активного элемента, по величинам деформаций определяются параметры образованной тепловой линзы, определяется работоспособность всей конструкции. В работе приводятся алгоритмы позволяющие превращать плоские изображения (географические карты, фотографии и прочее) в их псевдо 3-х мерные образы, которые (в дальнейшем) могут быть использованные для воспроизведения в системах быстрого прототипирования. Приведен ряд примеров реализации созданного оборудования и технологий (быстрого прототипирования, резки, прошивки отверстий, сварки и т.д.), в которых использованы разработанные методы и устройства.

...