Η χρήση των λέιζερ στις κατεργασίες των υλικών

Ο όρος «λέιζερ» προήλθε από το αγγλικό αρκτικόλεξο LASER που σημαίνει «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation», δηλαδή «ενίσχυση φωτός με εξαναγκασμένη εκπομπή ακτινοβολίας».

 

Της κ. Βασιλικής Αλεξοπούλου*

 

Τα λέιζερ είναι σύνθετες συσκευές που αποτελούνται από πολλά διαφορετικά μέρη, όπως είναι η πηγή άντλησης ενέργειας (που μπορεί να είναι ηλεκτρική, φωτεινή, χημική ή πυρηνική), το ενεργό μέσο (που βρίσκεται μέσα στην οπτική κοιλότητα της συσκευής), η οπτική κοιλότητα (η οποία περιλαμβάνει δύο κάτοπτρα που ανακλούν ανάμεσά τους φωτόνια μέσα από την περιοχή του ενεργού μέσου, μέχρι αυτά να αποκτήσουν την επιθυμητή ένταση) και η διάταξη εξόδου δέσμης (σχήμα 1).

 

Βασικές αρχές λειτουργίας Η δημιουργία δέσμης λέιζερ βασίζεται στο φαινόμενο εξαναγκασμένης εκπομπής. Συγκεκριμένα, η πηγή άντλησης ενέργειας παρέχει ενέργεια στο ενεργό μέσο. Την ενέργεια αυτή την απορροφούν τα σωματίδια του ενεργού μέσου και μεταπίπτουν από τη θεμελιώδη κατάσταση σε μία διεγερμένη κατάσταση.

Κατά την επιστροφή καθενός σωματιδίου στη θεμελιώδη κατάσταση εκπέμπεται ένα φωτόνιο, που στη συνέχεια «εξαναγκάζει» σε διέγερση ένα άλλο σωματίδιο. Με αυτό τον τρόπο, σταδιακά, ο αριθμός των σωματιδίων σε διεγερμένη κατάσταση γίνεται μεγαλύτερος από τον αριθμό των σωματιδίων σε θεμελιώδη κατάσταση και επιτυγχάνεται αντιστροφή πληθυσμού.

Με την αντιστροφή πληθυσμού η δέσμη, περνώντας μέσα από το ενεργό υλικό, είναι πιθανότερο να οδηγήσει σε εξαναγκασμένη εκπομπή φωτονίων παρά σε εξαναγκασμένη απορρόφηση, οπότε επιτυγχάνεται ενίσχυση της δέσμης. Όταν η δέσμη εξέρχεται από τη διάταξη εξόδου προς το περιβάλλον, τότε η ένταση του φωτός εμφανίζει γκαουσιανή κατανομή, που είναι κάθετη στη διεύθυνση διάδοσής της (σχήμα 1).

 

Διαφορετικοί τύποι λέιζερ

Ανάλογα με το υλικό του ενεργού μέσου, υπάρχουν διαφορετικοί τύποι λέιζερ, όπως λέιζερ αερίων (Argon ion, Helium Neon κλπ.), λέιζερ στερεής κατάστασης (κρυστάλλου [όπως τα YAG, Ruby, YVO] και υάλου [όπως τα λέιζερ πυριτίου και τα ΒΚ7]), λέιζερ υγρών χρωστικών (όπως φλουορεσκεΐνης, στιλβενίου, πράσινου του μαλαχίτη), λέιζερ αέριων χρωστικών (αποτελούμενα από στοιχεία και ενώσεις όπως CO2, N, Cu, Au, O2, I και H2F [το γνωστότερο λέιζερ τέτοιου τύπου είναι το 10% CO2, 10% N, 80% He]), λέιζερ ημιαγωγών και λέιζερ τύπου Excimer.

Για την επιλογή του κατάλληλου λέιζερ πρέπει να ληφθούν υπόψη παράμετροι όπως είναι η ισχύς της δέσμης, το μήκος κύματος του λέιζερ, το είδος της δέσμης (συνεχής ή παλμική), η διάρκεια παλμού (για παλμικό λέιζερ) και το κόστος του λέιζερ.

 

Τα λέιζερ στη Μηχανολογία

Τα λέιζερ χρησιμοποιούνται ευρύτατα στην αεροδιαστημική, στις τηλεπικοινωνίες, στην Ιατρική, στη Φυσική και στη Χημεία, σε στρατιωτικές εφαρμογές και σε μηχανολογικές εφαρμογές (κατεργασίες υλικών και μετρήσεις). Από τις εφαρμογές αυτές, το παρόν άρθρο εστιάζει στις μηχανολογικές (σχήμα 2).

Εδώ και αρκετά χρόνια, τα λέιζερ έχουν κεντρικό ρόλο στη βιομηχανία, αφού χρησιμοποιούνται σε κατεργασίες συγκόλλησης και κοπές (π.χ. συγκόλληση κιβωτίου ταχυτήτων και κατεργασία κυλίνδρων με λέιζερ CO2). Έναντι άλλων ανταγωνιστικών μεθόδων συγκολλήσεων και κοπών, τα λέιζερ έχουν ορισμένα πλεονεκτήματα, όπως μεγάλη ακρίβεια, μειωμένο χρόνο κατεργασίας και δυνατότητα καλύτερης αυτοματοποίησης κατασκευών, ενώ δεν καταστρέφεται το κοπτικό εργαλείο, όπως γίνεται για παράδειγμα στην τόρνευση και στο φρεζάρισμα.

Πέραν των παραπάνω παραδοσιακών κατεργασιών, τα λέιζερ αποτελούν αναπόσπαστο κομμάτι και των ανερχόμενων κατεργασιών τρισδιάστατης εκτύπωσης. Μία μέθοδος τρισδιάστατης εκτύπωσης είναι η στερεολιθογραφία. Η μηχανή της στερεολιθογραφίας αποτελείται από μία δεξαμενή γεμάτη με υγρό φωτοπολυμερές, μία διάτρητη πλατφόρμα πάνω στην οποία δημιουργείται το επιθυμητό τεμάχιο, ένα λέιζερ και έναν υπολογιστή που ελέγχει την κίνηση του λέιζερ και της πλατφόρμας.

Όταν το λέιζερ εστιάζει σε ένα σημείο του πολυμερούς αυτό σκληραίνει, και έτσι «χτίζεται» στρώση στρώση το επιθυμητό τεμάχιο. Αναφορικά με την τρισδιάστατη εκτύπωση μεταλλικών τεμαχίων, χρησιμοποιούνται άλλες μέθοδοι, όπως είναι η επιλεκτική τήξη με λέιζερ (Selective Laser Melting [SLM]), όπου ως «πρώτη ύλη» χρησιμοποιείται μεταλλική σκόνη, η οποία ακτινοβολείται και τήκεται από λέιζερ. Το τήγμα στη συνέχεια στερεοποιείται και έτσι δημιουργείται και εδώ στρώση στρώση το επιθυμητό μεταλλικό τεμάχιο.

Στην Μηχανολογία, η ανάγκη κατασκευής τεμαχίων με μεγάλη διαστασιολογική ακρίβεια απαιτεί συνεχή έλεγχο της ακρίβειας των εργαλειομηχανών. Για αυτό, τα λέιζερ δεν χρησιμοποιούνται μόνο για κατεργασία τεμαχίων, αλλά και για μέτρηση της ευθυγράμμισης των εργαλειομηχανών με ακρίβεια ορισμένων μm.

 

Λέιζερ και ασφάλεια

Λόγω της χρήσης των λέιζερ στη βιομηχανία, οι χειριστές των μηχανών έρχονται σε επαφή με τα λέιζερ, τα οποία, ανάλογα με την ισχύ, το μήκος κύματος και τη διάρκεια του παλμού τους, μπορούν να προκαλέσουν βλάβη στο δέρμα και στα μάτια. Για αυτό, θα πρέπει να λαμβάνονται μέτρα ώστε οι χειριστές να μην έρχονται σε απευθείας ή εξ αντανακλάσεως επαφή με τη δέσμη του λέιζερ. Η επικινδυνότητα κάθε λέιζερ είναι ανάλογη με την κλάση του και παρατίθεται στον πίνακα 1.

 

 

*Η κ. Βασιλική Αλεξοπούλου είναι υποψήφια διδάκτορας του Τομέα Τεχνολογίας των Κατεργασιών, στη Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου.

 

 

 

Σχήμα 1: Αναπαράσταση συσκευής λέιζερ με ηλεκτρική πηγή άντλησης ενέργειας.

Σχήμα 2: Χρήση των λέιζερ στη Μηχανολογία.

 

 

Πίνακας 1: Κλάση επικινδυνότητας λέιζερ.

 

ΚΛΑΣΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ
Ι Ακτίνα μη βλαβερή για μάτια και δέρμα.
ΙΜ Ακτίνα μη βλαβερή για μάτια και δέρμα, όταν δεν παρεμβάλλεται οπτικό είδος (π.χ. συγκεντρωτικός φακός).
ΙΙ Ακτίνα μη βλαβερή για μάτια και δέρμα, όταν ο χρόνος έκθεσης είναι μικρότερος από 0,25sec.
ΙΙΜ Ακτίνα μη βλαβερή για μάτια και δέρμα, όταν η έκθεση δεν ξεπερνά τα 0,25sec και δεν παρεμβάλλεται οπτικό είδος (π.χ. συγκεντρωτικός φακός).
ΙΙΙR Ακτίνα βλαβερή για μάτια.
IIIB Ακτίνα βλαβερή για τα μάτια και δέρμα.
IV Πολύ επικίνδυνη ακτίνα για μάτια και δέρμα, ακόμα και μετά από τη διάχυσή της σε επιφάνεια.

 

 

Ελέγξτε επίσης

Αερολίπανση, αεροέδρανα, και τεχνολογικές εφαρμογές

Η αερολίπανση είναι μια τεχνική χάρη στην οποία αντικαθίσταται το λιπαντικό έλαιο από ατμοσφαιρικό αέρα, …