Tsirkooniumoksiid (ZrO₂) on üks kõige protsessitundlikumaid{0}}tehnilisi keraamikaid. See pakub suurepärast kõvadust, purunemiskindlust ja biosobivust. Kuid ebasobiva laseriga või halvasti valitud parameetritega lõikamisel võib lõikeserv tumeneda, muutuda mustaks või tekkida mikro-praod, mis võivad komponenti nõrgendada.
Selles juhendis käsitletakse, miks tsirkooniumoksiid kipub põlema ja kuidas kolm lasertehnoloogiat -QCW kiud, UV ja pikosekund- aitavad neid probleeme vältida. Teave on võetud avalikult kättesaadavast tehnilisest kirjandusest ja tootja dokumentatsioonist.
Miks tsirkooniumoksiid põleb laserlõikamise ajal (juurpõhjused)?
Enne laseri valimist on kasulik mõista, mida "põlemine" tsirkooniumoksiidil tegelikult tähendab. See ei ole lihtne oksüdatsioon nagu metallidel; see hõlmab tavaliselt kolme efekti kombinatsiooni:
Soojuse kogunemine– Tsirkooniumoksiidil on madal soojusjuhtivus, mistõttu neeldunud laserenergia kipub kogunema madalasse pinnakihti. See loob kuumuse{1}}mõjutatud tsooni (HAZ). Tavaliste nanosekundiliste laserite puhul võib HAZ olla suhteliselt lai, samas kui lühemad impulsi kestused (pikosekund või femtosekund) võivad seda oluliselt vähendada.
Hapniku kadu ja värvimuutus– Kõrgel temperatuuril{0}}ablatsioonil, millele järgneb kiire jahutamine, võib pind kaotada hapnikku ja muutuda tumedamaks. See nähtav must/tume serv on seotud pinna keemia muutusega (tsirkooniumioonide vähenemine). Värvimuutus on sageli pöörduv; Osa uuesti-kuumutamine hapnikku-sisaldavas atmosfääris võib taastada valge värvuse.
Faasi transformatsioon– Liigne kuumus võib põhjustada tsirkooniumoksiidi muutumise tetragonaalsest faasist monokliiniliseks faasiks lõikeserva lähedal. See transformatsioon võib vähendada kohalikku purunemiskindlust ja suurendada mõranemise või pragunemise ohtu. Raskusaste sõltub termilisest kokkupuutest töötlemise ajal.
Praktikas sõltub põletus{0}}vaba lõikamise saavutamine suuresti HAZ-i juhtimisest. Lühem termiline interaktsioon kipub tekitama valgemaid ja tugevamaid servi.
Kolm lasermeetodit{0}}tasuta tsirkooniumoksiidi lõikamiseks
1. QCW kiudlaser (1060–1080 nm)- Kiirus ja paksus
Kvaasi-pidev-lainelised (QCW) kiudlaserid töötavad nanosekundi{0}}skaala impulssidega, kuid moduleerivad väljundit nii, et materjal jahtub impulsside vahel. See vahelduv kuumutamine vähendab termilise akumulatsiooni võrreldes pidevlaine laseritega-, säilitades samal ajal kõrge materjali eemaldamise kiiruse.
HAZ suurus:tavaliselt nanosekundi klassis, sageli väiksem, kui töötsüklit hoolikalt reguleeritakse.
Tugevused:suur läbilaskevõime, mis on võimeline lõikama suhteliselt pakse lõike.
Sobib:struktuursed tsirkooniumoksiidi osad õhukestest kuni mitme millimeetri paksuseni, suure{0}}mahuga tootmine.
Maksumus:mõõdukas (tavaliselt kallim kui standardsed nanosekundilised kiudlaserid, kuid vähem kui UV- või pikosekundilised süsteemid).
Paljud masinaehitajad pakuvad keraamilise lõikamise jaoks QCW kiuallikaid, millel on hea korratavus ja paksuse katvus. Ühel teatatud juhul võttis õhukeste tsirkooniumoksiidi osade partii laseriga lõikamine tunduvalt vähem aega kui tavaline CNC-töötlus.
Põhipunkt: QCW tagab tootlikkuse; põlemise juhtimine sõltub parameetrite õigest häälestamisest.
2.UV-laser (355 nm)- fotokeemiline "külmlõikamine"
UV-laserid lõigatakse peamiselt fotokeemilise sideme purunemise, mitte sulamise teel. Kõrge footonienergia lõhub otseselt molekulaarsed sidemed, nii et väga vähe energiat muundatakse soojuseks. See minimeerib termilise-pingega pragunemist ja karboniseerumist.
HAZ suurus:väga väike, läheneb mikroskoopilisele või isegi nanoskoobile; karboniseerimine praktiliselt puudub.
Tugevused:erakordselt puhtad servad õhukestel ja rabedatel materjalidel.
Sobib:õhuke tsirkooniumoksiid (alla umbes 0,3 mm), mikro-augud, suure-kuvasuhtega-mikrostruktuurid; õhukeste substraatide puhul on teatatud kõrgest saagisest.
Maksumus:suhteliselt kõrge -tavaliselt mitu korda QCW-süsteemist.
3. Pikosekundiline laser - ülikiire külmablatsioon
Pikosekundilised laserid annavad impulsse, mis on suurusjärgus lühemad kui nanosekundilised impulsid. Energia ladestub nii kiiresti, et see aurustab materjali enne, kui soojus võib ümbritsevasse piirkonda hajuda.
HAZ suurus:nullilähedane-, mille HAZ on tavaliselt palju väiksem kui nanosekundilisel töötlemisel.
Tugevused:parim serva kvaliteet ja minimaalne termiline kahjustus; eelistatud meditsiini-/hambaravi ja ülitugevate{0}}rakenduste jaoks.
Sobib:üliõhukesed või täpsed osad, mille faasimuutus on vastuvõetamatu.
Maksumus:kõrge (sageli oluliselt rohkem kui QCW).
Kiire võrdlustabel
|
Mõõtmed |
QCW Fiber (ns) |
UV 355 nm |
Pikosekund |
|
Impulsi laius |
10⁻⁹ s |
ns-ps klass |
10⁻¹² s (1000 × lühem) |
|
Eemaldamise mehhanism |
Kontrollitud soojus |
Fotokeemiline |
Külma ablatsioon |
|
HAZ |
<50 μm class |
mikro-nano |
Nulli lähedal-(<10 μm) |
|
Serva kvaliteet |
Hea (vajab häälestamist) |
Suurepärane |
Parim |
|
Läbilaskevõime |
Kõrge |
Keskmine |
Madal – keskmine |
|
Põletuse/mustaks muutumise oht |
Keskmine |
Väga madal |
Madalaim |
|
Masina suhteline maksumus |
Keskmine |
Keskmine – kõrge |
Kõrge (3–5 × QCW) |
|
Tüüpiline paksus |
0,2–11 mm |
<0.3 mm |
Üli-õhuke / täpne |
Protsessi parameetrid, mis aitavad vältida põletusi
Isegi parim laser võib põhjustada põletust, kui parameetreid pole õigesti seadistatud. Üldiselt on soovitatav järgida järgmisi juhiseid:
Impulsi kattumine– Hoidke kattuvust mõõdukas vahemikus (mitte liiga madal, mitte liiga kõrge). Liiga madal kattumine tekitab astmeid ja kuumuse naelu; liiga kõrge kogub liigset kuumust. Selle asemel kiiruse suurendamiseks suurendage korduste sagedust.
Skaneerimise kiirus– Keraamilise lõikamise puhul leitakse sageli, et skannimiskiirused on mõõdukad (nt mõnisada mm/s), et vältida nii ala-lõikamist kui ka serva mikro-pragusid.
Ko-aksiaalne abigaas– Laserkiirega koaksiaalse inertgaasi (nt lämmastiku) kasutamine aitab sula prahi ära puhuda, vähendab plasmavarjestust ja tagab aktiivse jahutuse-see on lihtne viis HAZ-i ja värvimuutuste minimeerimiseks.
Töötsükli häälestamine (QCW) – kuna QCW eemaldab soojuse impulsside vahel, võib intervalli suurendamine (madalam töötsükkel) sama keskmise võimsuse juures kahaneda.HAZ paksemal tsirkooniumoksiidil.
Mitu-käiku, madala-energia strateegia – mitu madalat läbisõitu madala ühe-impulsienergiaga on sageli parem kui üks sügav ja kuum läbimine. See on tavaline tava UV- ja pikosekundiliste laserite puhul.
Protsessijärgne lõõmutamine-– Kui väike värvimuutus jääb püsima, võib kerge lõõmutamine hapnikku -sisaldavas atmosfääris taastada valge värvuse, kuna mustumine on tavaliselt pöörduv hapnikuvaeguse -efekt. Kuid see ei muuda süvafaasilist transformatsiooni, seega on HAZ-i vältimine esmane eesmärk.
Tsirkooniumoksiidi jaoks sobiva masina valimine
Paksud osad ja suur maht → QCW kiulõikussüsteem on sageli kõige produktiivsem valik.
Eelistatavad on õhukesed substraadid, mikro{0}}augud või kosmeetilised-kriitilised servad → UV-laserid.
Meditsiinilised/hambaosad, mille puhul tuleb faasimuutust vältida → Pikosekund on üldiselt tehniliselt parem valik.
KKK
K: Kas tsirkooniumi saab laseriga lõigata ilma mustaks muutumata?
A: Jah. Mustamine tuleneb hapnikukaotusest HAZis. Lühikese -impulsi (UV või pikosekund) või õigesti häälestatud QCW kasutamine gaasiabiga võib serva valgena hoida.
K: UV või pikosekund,{0}}kumb on parem?
A:Mõlemad võivad anda põletus{0}}tasuta tulemusi. UV on õhukeste aluspindade ja mikro{2}}omaduste puhul sageli säästlikum; pikosekund annab madalaima HAZ-i ja seda eelistatakse meditsiiniliste/hambaarstide ja tugevus{3}}kriitiliste komponentide jaoks.
K: Kas QCW kiudlaser sobib tsirkooniumoksiidi jaoks?
A:Jah, eriti paksemate materjalide ja suurema läbilaskevõime puhul. See nõuab HAZ-i juhtimiseks intervallide hoolikat häälestamist, kattumist ja abigaasi.
K: Kuidas saab pärast lõikamist tumenemist eemaldada?
A: Kerge lõõmutamise/taas{0}}paagutamise etapp võib pinda uuesti-oksüdeerides taastada valge värvi. Kuid see ei paranda ühtegi sügavat faasimuutust,-nii et ennetamine HAZ-i juhtimise kaudu jääb parimaks lähenemisviisiks
Järeldus
Põletus-vaba tsirkooniumoksiidi lõikamine on saavutatav, kuid see sõltub laseri tüübi sobitamisest paksuse ja kvaliteedinõuetega ning parameetrite seadistamisest kuumuse akumuleerumist tõkestavates parameetrites. Paksu tsirkooniumoksiidi tootlikkuse tagamiseks on QCW kiud tugev kandidaat; ultra-õhukeste või kosmeetiliste-kriitiliste servade jaoks sobib UV; meditsiinilise-kvaliteediga, peaaegu nulli-HAZ-i servade jaoks on eelistatud pikosekund.
Kui vajate kohandatud lahendust, pakuvad paljud laseritootjad QCW-, UV- ja pikosekundiseid keraamilisi lõikesüsteeme, millel on nägemise positsioneerimine ja hea korratavus.Võtke ühendust YCLASERigaprotsessi hindamise materjali, paksuse ja serva{0}}kvaliteedinõuetega.
