Математический и имитационный анализ влияния расфокусировки лазерного пучка на процесс обработки неровной поверхности

Введение. Технология лазерной обработки позволила повысить точность обработки поверхности заготовки. При этом сохраняются проблемы, связанные с поддержанием положения перетяжки пучка на неровных поверхностях. Неровности поверхности вызывают расфокусировку и неперпендикулярное выравнивание, что приводит к искажениям размера и формы лазерного пятна, снижающим качество обработки.

Метод. Разработана математическая модель и схема моделирования для анализа ошибок позиционирования лазерного пучка при обработке поверхностей. Используя средства решения дифференциальных уравнений MATLAB и метод конечных элементов, моделирование позволило рассчитать величины изменения угла падения лазерного излучения и фокусного расстояния, влияющие на характеристики проекции луча на поверхность.

Основные результаты. Полученные результаты показывают, что расфокусировка и несоосность увеличивают и искажают проекцию пучка на поверхность, а большие углы падения вызывают эллиптическую деформацию.

Обсуждение. Моделирование имеет решающее значение для понимания взаимодействия лазерного излучения и материала в неоптимальных условиях, таких как расфокусировка и несоосность. Оно дает критическое представление о геометрических искажениях лазерного пучка, позволяя разработать точные методы обнаружения ошибок проекции пучка на поверхность. Кроме того, эти результаты закладывают основу для разработки адаптивных механизмов, повышающих точность и надежность лазерной обработки поверхности материала и решающих проблемы, связанные с неровной поверхностью заготовок. Этот подход направлен на оптимизацию качества лазерной обработки и расширение ее применимости в высокоточном производстве.

1. Leniart A.A., Pula P., Sitkiewicz A., Majewski P.W. Macroscopic alignment of block copolymers on silicon substrates by laser annealing // ACS Nano. 2020. V. 14. N 4. P. 4805–4815. https://doi.org/10.1021/acsnano.0c00696

2. Téllez H., Vadillo J.M., Chater R.J., Laserna J.J., McPhail D.S. Focused ion beam imaging of laser ablation sub-surface effects on layered materials // Applied Surface Science. 2008. V. 255. N 5. Part 1. P. 2265–2269. https://doi.org/10.1016/J.APSUSC.2008.07.082

3. Shaheen M.E., Gagnon J.E., Fryer B.J. Studies on laser ablation of silicon using near IR picosecond and deep UV nanosecond lasers // Optics and Lasers Engineering. 2019. V. 119. P. 18–25. https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2019.02.003

4. Žemaitis A., Gaidys M., Brikas M., Gečys P., Račiukaitis G., Gedvilas M. Advanced laser scanning for highly-efficient ablation and ultrafast surface structuring: experiment and model //scientific Reports. 2018. V. 8. P. 17376. https://doi.org/10.1038/s41598-01835604-z

5. Sobotova L., Badida M. Laser marking as environment technology // Open Engineering. 2017. V. 7. N 1. P. 303–316. https://doi.org/10.1515/eng-2017-0030

6. Indrišiūnas S., Gedvilas M. Control of the wetting properties of stainless steel by ultrashort laser texturing using multi-parallel beam processing // Optics & Laser Technology. 2022. V. 153. P. 108187. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2022.108187

7. Obilor A.F., Pacella M., Wilson A., Silberschmidt V.V. Microtexturing of polymer surfaces using lasers: a review // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2022. V. 120. N 1-2. P. 103–135. https://doi.org/10.1007/s00170-022-08731-1

8. Sugar P., Sugarova J., Frncik M. Laser surface texturing of tool steel: textured surfaces quality evaluation // Open Engineering. 2016. V. 6. N 1. P. 90–97. https://doi.org/10.1515/eng-2016-0012

9. Mao B., Siddaiah A., Liao Y., Menezes P.L. Laser surface texturing and related techniques for enhancing tribological performance of engineering materials: a review // Journal of Manufacturing Processes. 2020. V. 53. P. 153–173. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2020.02.009

10. Yang Y., Zhao Y., Wang L., Zhao Y. Application of femtosecond laser etching in the fabrication of bulk SiC accelerometer // Journal of Materials Research and Technology. 2022. V. 17. P. 2577–2586. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2022.02.012

11. Ehrhardt M., Lorenz P., Bauer J., Heinke R., Hossain M.A., Han B., Zimmer K. Dry etching of germanium with laser induced reactive micro plasma // Lasers in Manufacturing and Materials Processing. 2021. V. 8. N 3. P. 237–255. https://doi.org/10.1007/s40516-021-00147-1

12. Mulko L., Soldera M., Lasagni A.F. Structuring and functionalization of non-metallic materials using direct laser interference patterning: a review // Nanophotonics. 2022. V. 11. N 2. P. 203–240. https://doi.org/10.1515/nanoph-2021-0591

13. Krishnan A., Fang F. Review on mechanism and process of surface polishing using lasers // Frontiers of Mechanical Engineering. 2019. V. 14. N 3. P. 299–319. https://doi.org/10.1007/s11465-019-0535-0

14. Xiao H., Chen Y., Liu M., Zhou Y., Du C., Zhang W. Influence of laser additive manufacturing and laser polishing on microstructures and mechanical properties of high-strength maraging steel metal materials // Applied Sciences. 2022. V. 12. N 20. P. 10340. https://doi.org/10.3390/app122010340

15. Rizki M.A., Fedosov Yu.V. Development of adaptive laser head for compensating error of beam waist position during processing materials using laser beam spot detection method //scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics. 2023. V. 23. N 5. P. 859–870. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2023-23-5-859-870

16. Evdokimov A., Jasiewicz F., Doynov N., Ossenbrink R., Michailov V. Simulation of surface heat treatment with inclined laser beam // Journal of Manufacturing Processes. 2022. V. 81. P. 107–114. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2022.06.051

17. Dai K., Shaw L. Distortion minimization of laser-processed components through control of laser scanning patterns // Rapid Prototyping Journal. 2002. V. 8. N 5. P. 270–276. https://doi.org/10.1108/13552540210451732

18. Messaoudi H., Thiemicke F., Falldorf C., Bergmann R.B., Vollertsen F. Distortion-free laser beam shaping for material processing using a digital micromirror device // Production Engineering. 2017. V. 11. N 3. P. 365–371. https://doi.org/10.1007/s11740-017-0722-y

19. Moraitis G.A., Labeas G.N. Residual stress and distortion calculation of laser beam welding for aluminum lap joints // Journal of Materials Processing Technology. 2008. V. 198. N 1-3. P. 260–269. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2007.07.013

20. Zahrani E.G., Marasi A. Experimental investigation of edge effect and longitudinal distortion in laser bending process // Optics and Laser Technology. 2013. V. 45. N 1. P. 301–307. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2012.06.031

21. Safdar S., Li N., Sheikh M.A., Liu Z. The effect of nonconventional laser beam geometries on stress distribution and distortions in laser bending of tubes // Journal of Manufacturing Science and Engineering. 2007. V. 129. N 3. P. 592–600. https://doi.org/10.1115/1.2716715

22. Galaktionov I., Sheldakova J., Nikitin A., Toporovsky V., Kudryashov A. A hybrid model for analysis of laser beam distortions using monte carlo and Shack–Hartmann techniques: numerical study and experimental results // Algorithms. 2023. V. 16. N 7. P. 337. https://doi.org/10.3390/a16070337

23. Marom D.M. Optical communications // Comprehensive Microsystems. 2007. V. 3. P. 219–265. https://doi.org/10.1016/B978-044452190-3.00035-5

24. Paschotta R. Laser Beams // RP Photonics Encyclopedia. 2005. https://doi.org/10.61835/ggt