Промышленное применение лазеров

ла полимерных моделей не обеспечивает возможности многократного монтажа моделей. При использовании моделей в качестве нагреваемой оснастки отмечены случаи налипания смеси на материал модели. В то же время отмечается, что применение полимерных моделей сокращает сроки изготовления модельной оснастки и снижает ее стоимость более чем в 2 раза по сравнению с металлической.

Использование данной технологии позволяет получать особо сложные модели и отливки, как целиковые, так и пустотелые (про­ цесс Quick Cast). Точность изготовления моделей по горизонтали достигает ±0,13 мм, а по высоте ±0,2 мм (на 100 мм высоты). При этом можно получать модели с шагом 10^-250 мкм.

Модельный ряд установок позволяет получать детали с габари­ тами 500x500x500 мм. Точность позиционирования лазера ±0,25 мм.

Эта технология позволяет получить прототипы и образцы с раз­ личными физико-механическими свойствами. В основном использует­ ся для получения прототипов с целью проверки конструкции и собираемости, а также мастер моделей для последующего тиражи­ рования в силиконовых формах. Разработаны расходные материалы, позволяющие получать функциональные прототипы с различными физико-механическими свойствами, температурной стойкостью, про­ зрачностью и т.д.

Имеется опыт изготовления стереолитографических пластико­ вых мастер-моделей для машинной формовки на КамАЗе, выдер­ жавших 500 циклов машинной формовки. На Ярцевском заводе дви­ гателей испытывали пластиковые модели крышки стартера на авто­ матических линиях.

Фирма MEICO (Япония), совершенствуя технологию лазерной стереолитографии, сумела создать установку, которая позволяет по­ лучать модели точностью до 10 мкм и толщиной стенок от 80 мкм и более. Наличие специального программного продукта по созданию трехмерных моделей колец, кулонов и других позволило использо­ вать данную установку в ювелирной промышленности.

4.4.3. Селективное лазерное спекание SLS

(Selective Laser Sintering)

Технология изготовления трехмерных моделей из сыпучих материалов под действием лазерного или ПК-излучения получила название SLS-технологии (Selective Laser Sintering). Фирма DTM Corporation (Austin, Texas, USA) владеет патентом на технологию селективного лазерного спекания. Детали изготовляют спеканием порошкообразных пластмасс, металла, керамики и других материалов под действием из­ лучения газового лазера мощностью в луче 100-К300 Вт.

При селективном лазерном спекании технологии SLS при изго­ товлении прототипов используются порошкообразные материалы: пластмасса, металл, керамика и др. Слой порошка наносят на гори­ зонтальную поверхность, прокатывают подогретым валиком и так же, как в SLA, лучом лазера спекают контуры слоев трехмерной мо­ дели на толщину 0,05-Ю,20 мм. Далее наносят новый слой порошка и операции повторяют, наращивая деталь по высоте. SLS-техно- логией можно изготовить деталь произвольной формы, оболочковые формы для литья, песчаные стержни.

В основе технологии лежит спекание мелкодисперсных части­ чек расходного материала под воздействием С02-лазера (рис. 4.22).

Расходный материал (пудра) предварительно разогрет до темпе­ ратуры, близкой к температуре плавления материала (либо связующих элементов). Текущее сечение детали спекается лазером на величину слоя расходного материала (около 0,15 мм). После этого платформа опускается на величину очередного слоя, очередная порция расходно­ го материала выделяется из картриджа, наносится и калибруется про­ катным валиком. Установка DTM Sinterstation 2500 plus позволяет по­ лучать детаии с габаритами до 300x330x430 мм. В качестве расходных материалов используются различные специальные пластики (в том числе стеклонаиолненные), песок и металлическая пудра. Имеется большое количество материалов, которые применяются для получения прототипа. Практически это любой материал, который может быть распылен через сопло. Это могут быть нейлон и композиции на его

В результате использования технологий можно получить функ­ циональные прототипы пластиковых деталей, песчаные формы и стержни для металлургии, модели для литья по выплавляемым мо­ делям, а также металлические детали или фрагменты формообра­ зующих элементов пресс-форм. Данная технология используется в основном для получения единичных функциональных прототипов либо как альтернатива тиражированию в силиконовых формах для получения партии деталей в несколько десятков экземпляров.

Изделие получается готовое к употреблению сразу после окон­ чания процесса. Точность изделия равна ±51 мкм, толщина слоя рав­ на 76 мкм, производительность 12-^25 мм/ч.

Недостаток процесса заключается в сложности повторного ис­ пользования формообразующих материалов, а также в обязательном применении инертной атмосферы.

На рынке доступны установки с размером рабочей камеры 330x380x420 мм.

4.4.4. Z -corporation -т ехнология

Фирмой Z-Corporation разработана технология изготовления ЗО-моделей путем послойного выращивания из порошкообразного материала. Изготовление моделей похоже на технологию SLS, одна­ ко в качестве порошка используют состав на основе крахмала и целлюлозы, а создание необходимого сечения обеспечивается пу­ тем пропитки связующим на водной основе. Для придания изделию таких необходимых качеств, как термостойкость, водонепроницае­ мость или прочность, модель пропитывают специальными состава­ ми, а для придания эластичности модели пропитывают жидкой рези­ ной типа ZR (цианакрилат). Также модель может быть пропитана воском для использования ее в технологии литья по выжигаемым моделям, так как воск имеет меньший зольный остаток. Полученные модели можно подвергать механообработке (сверлению, нарезке резьбы, шлифованию). В качестве пропитывающих составов можно использовать двухкомпонентные эпоксидные композиции, полиуре­

таны и другие материалы. При печати могут быть использованы цветные красители, что позволяет получить цветную модель. Следу­ ет заметить, что точность изготовления моделей мала (около 1 %). Основное направление использования моделей - дизайн.

4.5. Применение л а зерн ы х устройств

В ДРУГИХ ОБЛАСТЯХ

Квантовая электроника совершила революцию в технике, и сей­ час практически нет области науки и техники, где бы не применялись или не могли найти применение квантовые и оптоэлектронные при­ боры и устройства. Можно условно указать ряд основных направле­ ний такого применения.

4.5.1. Военное дело

Основные направления применения квантовых и оптоэлектрон­ ных приборов:

1) определение направления и дальности до цели (оптические квантовые дальномеры);

2)наведение управляемых снарядов по лучу лазера;

3)слежение за далекой целью и выдача ее координат (радиоло­ кация и пеленгация дальних целей), а также установление многока­ нальной помехозащитной и скрытой связи между несколькими кор­ респондентами (ракетами, самолетами, танками и т.д.);

4)лазерные имитаторы стрельбы на военных маневрах и тре­ нажеры;

5)поражение живой силы противника и чувствительных эле­ ментов техники лучистым потоком большой плотности;

6)мгновенное определение частоты чужого радиолокационного сигнала с целью создания радиопротиводействия.

Рассмотрим эти направления.

1. Военные дальномеры на лазерах начали разрабатываться да но. Еще в 1963 г. один из первых дальномеров, предназначенный для

войск НАТО, представлял собой двухствольное ружье, в одном ство­ ле которого помещался импульсный лазер, включаемый нажатием ружейного курка, а во втором - фотоэлемент-приемник. По времен­ ному расстоянию между импульсами падающим и отраженным, по­ ступающими в устройство отсчета времени, можно определить на цифровом барабане расстояние до цели, на которую наводится такое дальномерное ружье. Дальномер имеет хорошие данные: мощность в импульсе 1 МВт; дальность действия 11 км, при дожде 4 км; раз­ решающая способность очень высока и составляет ±5 м, что является основным достоинством таких дальномеров; вес 11 кг. В настоящее время лазерные дальномеры широко применяются в артиллерии, авиации, на танках и на кораблях, а также в геодезии и картографии,

всистемах слежения за искусственными спутниками Земли (ИСЗ).

2.Если лучом лазера постоянно следить за целью, а в хвосте снаряда или ракеты поставить фотоприемник, сигнал с выхода кото­ рого управляет движением снаряда и направляет это движение по максимуму сигнала, то можно создать систему наведения снаряда на цель по лучу лазера, освещающего хвост снаряда и следящего за це­ лью. Такие лазерные целеуказатели внедряются в системы бортового авиационного вооружения для наведения ракет.

3.Лазерные приемно-передающие и радиолокационные устрой­ ства, в принципе, ничем не отличаются от обычных приемно­ передающих устройств. Передатчик состоит из лазера, модулятора

иантенны. А приемник обычно бывает гетеродинного типа, причем в качестве смесителя обычно используется фотоэлемент, а в качестве гетеродина - другой лазер. Для модуляции лазерного излучения сей­ час существует много способов.

4.В армиях стран НАТО в последние годы нашли широкое применение лазерные имитаторы стрельбы и тренажеры, представ­ ляющие собой систему из лазера-генератора, укрепляемого на ство­ лах всех огневых средств, и фотоприемников, помещенных в различ­ ные участки каждой цели (солдата, танка, самолета, мишени и т.д.). При этом стрельба осуществляется не снарядами и пулями, а лазер­ ным лучом, который в случае попадания на фотоприемник цели вы­

зывает какую-то заметную реакцию (звонок или писк зуммера у солдата; появление дыма над танком и т.д.). «Пораженная» цель при этом должна прекратить участие в маневрах.

5. На разработку радиационного оружия («лучей смерти») США в период 1961-1989 гг. затратили около 10 млрд долларов. ВВС США поставили перед фирмами задачу разработать систему для прожигания корпусов атомных ракет на активном участке их траекторий. Такие системы предполагалось ставить на спутники. Эти системы должны давать плотность облучения до 100 МДж/см2 на по­ верхности ракеты при ее удалении от спутника на расстояние до 500 км. При таком облучении появляется эффект локального взрыва металла ракеты, за счет чего она должна выйти из строя. В настоящее время в США уже созданы лазерные пушки, способные повредить подвиж­ ные цели. Кроме того, более 20 лет в армии США применяются ла­ зерные ружья, пистолеты и пулеметы, которые служат для пораже­ ния органов зрения солдат противника. Лазерные пули в виде широ­ ких по площади импульсов длительностью 10'9 с и пиковой мощ­ ностью 109 Вт, часто идущие в невидимом, инфракрасном диапазоне длин волн, попадая на сетчатку глаза, приводят к кровоизлиянию,

ичеловек мгновенно слепнет.

6.Одним из важных применений квантовой электроники явля­ ются построенные на ее основе устройства акустооптики, представ­ ляющей собой отдельную ветвь оптики. Так, используя отклонение луча лазера, проходящего через дифракционную решетку, созданную акустическими волнами в кристалле, вызванными сверхвысокочас­ тотными (СВЧ) колебаниями с помощью пьезопреобразователей, можно измерять длину этих волн по углу отклонения луча, и на этом принципе сейчас работают спектроанализаторы СВЧ, которые нахо­ дят применение в системах радиопротиводействия.

4.5.2. Лазерная запись и воспроизведение информации

Запись и воспроизведение стали основой современных инфор­ мационных технологий. Фокальное пятно диаметром около 1 мкм и менее с большой концентрацией энергии, получаемое от малогаба­ ритных полупроводниковых лазеров, широко используется в систе­ мах записи и воспроизведения звука, в устройствах записи сигналов на магнитооптический носитель и в записи тех цифровых данных на магнитный носитель, которые сегодня прочно пришли на смену ана­ логовым сигналам в системах видеотехники. При этом важной осо­ бенностью лазерного воспроизведения является то, что оно бескон­ тактно, поэтому компакт-диски и магнитооптические (МО) носители не изнашиваются в процессе их эксплуатации, так как информация содержится в отраженном от дорожки диска лазерном луче. Основой лазерной записи на компакт-диске (КД) является цифровой код, ко­ торым модулируется интенсивность лазерного луча, освещающего слой фоторезиста толщиной 0,1 мкм, нанесенный на стеклянный диск. После проявления фоторезист металлизируют и имеют первый оригинал записи, с которого гальванопластически получают второй, позволяющий изготовить матрицу, с помощью которой прессуют пластмассовые заготовки КД. Лазерная запись на МО-носитель осно­ вана на термомагнитных явлениях, когда под действием луча проис­ ходит изменение направления предварительной намагниченности МО-слоя на противоположное. А воспроизведение записи основано на МО-эффектах Керра и Фарадея, за счет которых поворот в МОслое плоскости поляризации света, определяющий его коэффициент отражения от МО-слоя, зависит от направления и величины намаг­ ниченности отражающей поверхности, которая таким образом дает ту или иную интенсивность отраженного света. Запись на МО-носи- теле можно многократно стирать, как обычную магнитную, повторяя циклы запись-стирание до 1 млн раз.

4.5.3. Использование лазеров

в вычислительной технике

Оно связано с тем, что применение голографического метода записи информации дает самый емкий способ памяти и позволяет создать рекордную емкость памяти, на два порядка превышающую емкость, получаемую с помощью известных до этого систем. Ис­ пользование лазеров, лучи которых направляются по сверхтонким световодам, устройствам и системам интегральной оптики позволяет обойтись без сложных контактов и инерционных схем при построе­ нии элементов памяти вычислительных машин.

Световые потоки не взаимодействуют между собой, находясь в непосредственной близости. Они распространяются быстрее ско­ рости распространения электрического сигнала по сложным цепям, и поэтому оптические компьютеры, построенные на основе либо бистабильных, либо пороговых оптических элементов, либо на оп­ тических транзисторах, не имеют тех ограничений по быстродейст­ вию и параллельной обработке информации, которые характерны для современных ЭВМ.

Так, цифровой оптический процессор с числом параллельных каналов 105-Ч06 может совершать до 1013-Н015 операций в секунду (при времени переключения в одном канале, равном 10~8-И(Г9 с), что недоступно электронным системам.

4.5.4. Голография

Голография, которая сейчас представляет собой объемную фо­ тографию и в ближайшем будущем объемное телевидение, была предложена в 1947 г. английским ученым Габором. Суть голографии состоит в следующем (рис. 4.23, а). Источник (И) когерентного излу­ чения, которым в наши дни может служить лазер, дает луч света, проходящий через полупрозрачное зеркало (ПЗ) с одной стороны, на фотопластинку (Ф), а с другой стороны на фотографируемый объект

(О) и от него тоже на фотопластинку. На фотопластинке после ее