Обработка древесины с помощью технологии цифровой лазерной обработки материалов (Digital Laser Material Processing, DLMP®)
Древесина — это общее название волокнистых конструкционных материалов, получаемых из стволов, корней и ветвей деревьев. Все деревья по виду делятся на две широкие группы: хвойные (голосеменные) и лиственные (покрытосеменные). С точки зрения лазерной обработки древесину можно также классифицировать по ее плотности. На плотность в основном влияют виды деревьев. Например, железное дерево очень плотное, а бальза очень легкая. Однако свою роль в уплотнении древесных волокон играют также и другие факторы, такие как климат и почвенные условия.
Древесина — это, пожалуй, самый универсальный натуральный продукт, используемый всеми цивилизациями на протяжении веков благодаря ее эстетичности и физическим свойствам. Она жесткая, но ее форму можно изменять посредством температуры, влажности и механических методов. Древесина удароустойчива и имеет хорошее соотношение прочности и веса. Однако многие из этих свойств являются анизотропными, и максимальная полезность и красота достигаются, когда древесное волокно ориентировано перпендикулярно поверхности.
На химическом уровне древесина состоит из целлюлозы и лигнинов. Эти органические материалы относятся к самым распространенным на Земле. При взаимодействии с энергией лазера эта химическая структура подвергается частичному сгоранию. Основными факторами, влияющим на результаты применения технологии цифровой лазерной обработки материалов (Digital Laser Material Processing, DLMP®) к древесине, являются ее плотность и однородность плотности. Это объясняется далее в разделах, посвященных процессам обработки.
Наиболее полезными эффектами применения лазерной энергии к древесине являются абляция материала и изменение материала. Каждый из этих процессов обсуждается в соответствующем разделе ниже.
Абляция материала представляет собой физический процесс удаления материала. Материал удаляется полностью от верхней до нижней поверхности материала или частично от верхней поверхности до заданной глубины.
Все виды древесины отлично поглощают энергию CO2-лазера (длина волны — 10,6 мкм). Когда древесина поглощает энергию лазера, она быстро преобразует оптическую энергию в молекулярные колебания (тепло). Достаточный уровень нагревания приводит к быстрому разложению и сгоранию. Материал, непосредственно попадающий в зону лазерного луча, удаляется в виде пара и мелкодисперсных частиц. Материал, расположенный за пределами зоны воздействия лазера, поглощает некоторое количества тепла, но его недостаточно для глубокого и полного сгорания и абляции. Эту область термического воздействия часто называют зоной теплового воздействия, или ЗТВ. Состояние поверхности будет варьироваться от темной и липкой до черной и закопченной. Некоторые из этих продуктов сгорания являются водорастворимыми. Это означает, что темный налет можно частично удалить водой и мягкой ветошью или пластиковой щеткой.
Лазерная гравировка
Лазерная гравировка представляет собой процесс, в ходе которого осуществляется удаление материала с верхней поверхности до заданной глубины. Это возможно благодаря точной регулировке лазерной модуляции. Непрерывно изменяя мощность лазера, лазерную гравировку можно использовать для нанесения текстур, фотографий и информации в виде текста и цифр. В этом примере показано, как можно регулировать энергию лазера для удаления материала на контролируемую глубину. При гравировании древесины образуется шлам, как при резьбе по дереву. При высушивании этот шлам затвердевает. Часто бывает желательно очистить верхнюю поверхность и оставить шлам сохнуть в рисках гравировки, так как это повышает контрастность. Однако, чтобы улучшить внешний вид и подчеркнуть текстуру древесины, после гравировки поверхность можно очистить с помощью воды.
Буквы, цифры и ромбический 3D-узор, выгравированные на вишневой древесине. Узор в виде ромбовидной клетки, или насечка, очищен, чтобы показать красоту натурального древесного зерна.
Модификация материала
При использовании технологии DLMP для абляции материала прилагается энергия, достаточная для испарения значительного количества материала. При этом остается темный налет, вызванный частичным сжиганием древесных волокон, как обсуждалось ранее. Уменьшая мощность лазера, древесину можно затемнить без существенного удаления материала. Это один из типов изменения материала, который применяется для лазерного маркирования изделий из дерева.
Лазерная маркировка
Когда лазерная энергия используется для создания идентификационных меток, считываемых человеком и/или устройством, или информации на материале (например, штрихкода, кода даты/партии, серийного номера или номера детали), этот процесс называется лазерной маркировкой. В примере изображения показан шрифт уменьшающегося размера, созданный лазерной маркировкой на вишневом дереве.
Шрифт уменьшающегося размера, нанесенный лазерной маркировкой на поверхность вишневого дерева толщиной 2,5 мм
Комбинированный процесс
К древесине можно применить множество процессов без перемещений или повторного закрепления материала. Пример демонстрирует, как с помощью технологии DLMP можно в одной производственной операции объединить процессы вырезания квадратных и круглых фигур, гравировки символов и текстур и маркировки мелких деталей на вишневой древесине.
Комбинированный лазерный процесс гравировки текстур и символов, маркировки поверхности и резки на доске из вишневого дерева толщиной 9,55 мм
Вопросы охраны окружающей среды, здоровья и обеспечения безопасности
При взаимодействии лазера с материалом почти всегда образуются выбросы газов и/или частиц. При обработке древесины с помощью CO2-лазера образуются пары, содержащие монооксид углерода (угарный газ), акролеин и формальдегид, — в первую очередь от воспламеняющихся целлюлозных соединений. Также будут образовываться другие продукты с высокой температурой кипения и частицы, получающиеся при неполном сгорании лигнинов. Отходы при обработке древесины следует направлять во внешнюю среду. В качестве альтернативы они могут сначала обрабатываться системой фильтрации, а затем выводиться во внешнюю среду. Сгорание древесины присуще лазерной обработке и может создавать открытое пламя. Поэтому процесс лазерной обработки материалов всегда должен производиться под контролем.
