تولید قطعات اپتیکی مادون قرمز به روش میکروماشین کاری لیزری
روش الماس چرخان میکرو- لیزری[1]، با حرارت دادن مستقیم و نرم کردن مواد اپتیکی با سختی بالا و شکنندگی زیاد مثل قطعات اپتیکی مادون قرمز و سرامیک ها، نرخ براده برداری از مواد[2] را افزایش و هزینه تولید را کاهش می دهد.
تولید قطعات اپتیکی مادون قرمز به روش میکروماشین کاری لیزری

روش الماس چرخان میکرو- لیزری[1]، با حرارت دادن مستقیم و نرم کردن مواد اپتیکی با سختی بالا و شکنندگی زیاد مثل قطعات اپتیکی مادون قرمز و سرامیک ها، نرخ براده برداری از مواد[2] را افزایش و هزینه تولید را کاهش می دهد.
طیف گسترده ای از مواد شامل فلزات، آلیاژها، سرامیک ها، شیشه ها، نیمه هادی ها، کامپوزیت ها به منظور برآورده کردن نیازهای ما در هندسه خاص، دقت و یکپارچگی سطح مورد نظر تولید می شوند. فلزات و آلیاژها در حالت کلی راحت تر ماشین کاری می شوند زیرا شکنندگی و سختی پایینی دارند؛ همچنین دارای اتصال غیر جهتمند، تخلخل پایین، کرنش[3] بالا و انرژی ضربه ای بالا هستند. از طرف دیگر، غیر فلزاتی مانند سرامیک ها، نیمه هادی ها، کریستال های اپتیکی و تعداد زیادی از مواد اپتیکی مادون قرمز با مشخصاتی مثل اتصال یونی یا کووالانسی، سیستم های محدود برای تغییر شکل پلاستیکی، سختی و شکنندگی بالا، ماشین کاری پرچالشی دارند.
تکنولوژی جدید به نام میکروماشین کاری لیزری[4] (µ-LAM)، کشش زیادی برای ماشین کاری کریستال های اپتیکی و مواد IR شامل سیلیکان (Si)، کلسیم فلوراید (CaFl)، زینک سلناید (ZnSe)، ژرمانیوم (Ge) و زینک سولفاید (ZnS) ایجاد کرده است. مطالعه مواد در مرکز Micro-LAM نشان داده است که µ-LAM تکنولوژی ارزشمندی است و سبب افزایش طول عمر ابزار، افزایش تولید و بهبود کیفیت در حین تولید کریستال های اپتیکی و قطعات IR می شود.

ماشین کاری به کمک لیزر
در تکنولوژی µ-LAM نمونه مورد نظر به طور مستقیم برای تغییر شکل و اعمال نیروی ناحیه ای گرم می شود و سبب نرم شدن و در واقع افزایش چکش خواری (شکل پذیری) ماده می شود. بهبود چکش خواری که از کاهش سختی ماده نتیجه می شود، فرم دهی آسان تر چیپ، کاهش شکنندگی و در نهایت نرخ بالاتر براده برداری از ماده را امکانپذیر می کند و سبب عملکرد بهتر ابزارها، افزایش تولید و کاهش هزینه می شود.
برای ارزیابی قابلیت ماشین کاری کریستال های اپتیکی بوسیله روش فرآوری µ-LAM، تست های ماشین کاری روی ماشین تراشکاری فوق دقیق الماس چرخان (UPL[5]) با یک سیستم بازخوردی با دقت مکانی 15 پیکومتر انجام می شود. این UPL ها برای تولید لنزهای اپتیکی، قطعات اپتیکی و آینه های ریخته گری شده و المان های مکانیکی کوچک و دقیق طراحی شده اند.
برای آنالیز ما، سیستم µ-LAM روی یک UPL بسته می شود تا یک لنز Si پراشنده را ماشین کاری کند (شکل 1). میله ابزار سیستم µ-LAM که Optimus T+1 نامیده می شود، یک سیستم پیچ شده است که جایگزین میله ابزار موجود می شود و بهبود عملکرد سیستم را به دنبال دارد. سیستم کنترل لیزری که به این UPL متصل می شود این قابلیت را به دستگاه اضافه می کند که با دستور M-code کنترل شود.


 
شکل 1- واحد Optimus T+1 و واحد کنترل لیزر که بر روی یک ماشین تراشکاری فوق دقیق نصب شده اند. این چیدمان جدید در حال تراش یک عدسی پراشنده سیلیکان است.
این Optimus T+1 با استفاده از فیبر و لنز موازی ساز به یک لیزر ایتریوم آلومینیوم گارنت(YAG)  با طول موج 1064 نانومتر کوپل شده است. الماس از لحاظ اپتیکی در این طول موج شفاف است و به عنوان یک عدسی متمرکز کننده عمل می کند تا باریکه را با دقت بالایی روی لبه ابزار برش دهنده هدایت کند. این موضوع سبب می شود که تنها ناحیه برش در ماده گرم و سپس نرم شود.
پس از بهینه سازی پارامترهای این ماشین مانند عمق برش، سرعت برش و توان لیزر، چندین عدسی سیلیکانی ساخته شد و زبری[6] سطح آن ها، زیبایی سطح (پره پره شدن، بوجود آمدن نوارهای شکننده)، دقت یا تلرانس بی منظمی، طول عمر ابزار (بر اساس تعداد قسمت های ساخته شده) و بهره وری آن ها مورد ارزیابی قرار گرفت.

مقایسه مستقیم
معمولاً سیلیکان با گرید اپتیکی به عنوان عدسی در سیستم های تصویربرداری IR استفاده می شود. پیش از این ژرمانیوم به دلیل اینکه معمولاً برای ماشین کاری آسان تر (نرم تر) است، استفاده می شد. با این وجود، سیلیکان در مقایسه با ژرمانیوم مزایای زیادی مثل وزن کمتر، قیمت کمتر برای اجسام بزرگ و پایداری گرمایی و مشخصات مکانیکی بهتر (سختی بالاتر) دارد.
اگرچه سیلیکان با سختی بیشتر ترجیح داده می شود تا خرابی قطعه را حین سرویس کاهش دهد، اما ماشین کاری آن مشکل تر است. سختی و ساینده بودن سیلیکان سبب ساییده شدن سریعتر الماس و پایین آمدن کیفیت قطعه و افزایش خطاهای شکلی[7] می شود. فرآوری به روش µ-LAM مزایای فوق العاده ای را در ماشین کاری سیلیکان و کریستال های اپتیکی دیگر دارد زیرا این روش به طور موقت سختی ماده درحال کار را کاهش می دهد که سبب کاهش قابل توجه فرسودگی ابزار می شود.
یک عدسی پراشنده سیلیکانی با قطر ۵۰.۴ میلیمتر که در سیستم اپتیکی IR‌ استفاده می شود، به عنوان مثال دارای ویژگی های تلرانس بی منظمی ۰.۵ فرانژ، صافی سطح (Sa) کمتر از ۱۰ نانومتر، کیفیت سطح 40-60 و بدون پره و بدون نوار شکننده است. چالش اصلی رسیدن به تلرانس بی منظمی ۰.۵ فرانژ (کمتر از ۱۶۰ نانومتر) است که با یک ابزار برشی بدون فرسودگی و پوسیدگی لبه قابل دستیابی است.
در مقایسه با روش استاندارد الماس چرخان، روشµ-LAM  نه تنها سیلیکان با کیفیت قطعه خوب یعنی کاهش بیش از ۳ مرتبه ای صافی سطح تولید می کند بلکه می تواند بهره وری تولید را به ۴ برابر تعداد قطعه ای که در یک شیفت کاری می تواند تولید شود افزایش دهد.
جدول ۱- مقایسه عدسی سیلیکانی تولید شده به روش الماس چرخان و روش  µ-LAM.
برای نشان دادن افزایش طول عمر ابزار مورد استفاده، تعداد زیادی عدسی پراشنده سیلیکانی به روش µ-LAM ماشین کاری شدند و صافی سطح و خطای شکلی آن ها با استفاده از یک تداخل سنج نور سفید با فیلتر استاندارد گوسی mm 0.08، آنالیز شدند. شماره قطعه ۱۲ متناظر با ۱۲ امین قطعه ای بود که با این ابزار ماشین کاری شده بود. ۳ قطعه (به شماره های 4، ۱۱ و ۱۲) به صورت تصادفی انتخاب و آنالیز می‏شوند. صافی میانگین (Sa) آن ها ۱.۳۶۸، ۱.۱۰۵، ۰.۸۰۵ نانومتر و تمام آن ها فرانژهای کمتر از ۰.۵ داشتند و بدون پره و بدون قسمت سفید شده یا نوار شکننده بودند (شکل ۲). با بررسی کیفیت سطح قطعه های ۴ تا ۱۲ متوجه شدیم که ابزار مورد استفاده در حین فرآیند µ-LAM افت کیفیت نداشته است.
شکل ۲- پروفایل صافی سطح عدسی های پراشنده سیلیکانی مربوط به قطعه های  (a)(b) 11 و (c) 12.
برای آنالیز کیفیت ظرافت سطح ماشین شده، از یک دوربین دیجیتال همراه با نور پرشدت فیبر نوری استفاده شده است تا هرگونه اثر پره پره شدن یا شکستگی را بتوان گزارش کرد. برای قطعه شماره ۱۸ این گروه، هیچگونه آسیب قابل مشاهده ای روی سطح مشاهده نشد و این قطعه از لحاظ ظرافت کامل بود (شکل ۳).
شکل ۳- سطح ماشین کاری شده قطعه شماره ۱۸.
روش µ-LAM علاوه بر سیلیکان، سبب بهبود بهره وری برای دیگر کریستال ها و مواد IR شده است (جدول ۲). همچنین تکنولوژی µ-LAM در مقایسه با روش الماس چرخان قادر به تولید اندازه های بزرگ سیلیکان و اندازه های مختلف قطعات اپتیکی CaF2 با کیفیت بالا است.
 
جدول ۲- مقایسه عملکرد تولید و کیفیت قطعه برای انواع مواد اپتیکی در اندازه های مختلف.

پیشرفت در تنگستن کاربید
اخیراً تکنولوژی µ-LAM به فرآوری ماشین کاری تنگستن کاربید با کیفیت اپتیکی با استفاده از روش الماس چرخان دست یافته است. تنگستن کاربید در صنعت ریخته گری شیشه بسیار طرفدار دارد زیرا این ماده به خوبی در کاربردهای دما بالا و فشار بالا عمل می کند. همچنین تنگستن کاربید یک ماده بسیار سخت (حدوداً ۳ مرتبه سخت تر از سیلیکان) است و بنابراین با روش الماس چرخان به هیچ وجه نمی توان به کیفیت سطح اپتیکی قابل قبول دست یافت. در حال حاضر تولید قالب های اپتیکی تنگستن کاربید، شامل سمباده زدن و ساییدن آن ها در یک فرآیند دشوار ۳-۴ ساعتی برای هر قطعه انجام می شود.
گروه micro-LAM با یک روش ترکیبی توانسته است یک قالب تنگستن کاربید با کیفیت اپتیکی را به روش الماس چرخان با استفاده از لیزر و تنها در چند دقیقه تولید کند. کیفیت این عدسی های تولید شده به خوبی مشخصات مورد نیاز را برآورده می کند و نیازی به مراحل پس از فرآوری مثل سایش نیست (شکل ۴).
 
شکل ۴- (a تصویر سطح مقعر (b پروفایل صافی سطح قالب اپتیکی تنگستن کاربید که به روش µ-LAM ماشین کاری شده است.
برای یک قطعه تنگستن کاربید به قطر 17میلیمتر زمان ماشین کاری ۹۰ ثانیه است. در صورت نیاز به مشخصه Sa کمتر از ۵ نانومتر برای این قطعه، با روش µ-LAM صافی سطح بین ۲ تا ۲.۵ نانومتر حاصل می شود.
با بازپرداخت کمتر از ۸ ماه، سیستم µ-LAM با بهبود تولید تا ۵۰۰٪، افزایش بازده ماشین کاری تا ۲۰۰٪ و بهبود کیفیت قطعه برای تعداد زیادی از مواد و کریستال های اپتیکی IR ارزش خود را نشان می دهد. همچنین روش µ-LAM برای مواد بسیار سخت مثل سیلیکان کاربید (SiC)، یاقوت، اسپینل (یک نوع ماده کانی سخت و بلورین)، شیشه و برخی فلزات منتخب در اپتیک و صنایع هوایی توسعه داده شده است.
 
 
Source: http://www.laserfocusworld.com/articles/print/volume-53/issue-08/features/photonics-applied-ir-optics-manufacturing-laser-assisted-lam-process-cuts-through-infrared-optics.html
 
 

[1] Micro-Laser-Assisted Diamond Turning
[2] Material Removal Rates
[3] Strain
[4] Micro-Laser-Assisted Machining
[5] Ultra-Precision Lathe
[6] Roughness
[7] Form Errors
 
منبع :  www.laserfocusworld.com    |   

   |    1397/4/25