Cirkonij (ZrO₂) je ena najbolj procesno{0}}občutljivih inženirskih keramik. Ponuja odlično trdoto, lomno žilavost in biokompatibilnost. Pri rezanju z neustreznim laserjem ali slabo izbranimi parametri pa lahko rob reza potemni, počrni ali nastanejo mikro-razpoke, ki lahko oslabijo komponento.
Ta vodnik razpravlja o tem, zakaj je cirkonij nagnjen k gorenju in kako lahko tri laserske tehnologije-QCW fiber, UV in pikosekunda-pomagajo preprečiti te težave. Podatki so povzeti iz javno dostopne tehnične literature in dokumentacije proizvajalca.
Zakaj cirkonij gori med laserskim rezanjem (glavni vzroki)?
Preden izberete laser, je koristno razumeti, kaj v resnici pomeni "opeklina" na cirkonijevem dioksidu. Ne gre za preprosto oksidacijo kot pri kovinah; običajno vključuje kombinacijo treh učinkov:
Akumulacija toplote– Cirkonij ima nizko toplotno prevodnost, zato se absorbirana laserska energija nabira v plitvi površinski plasti. To ustvari toplotno{1}}območje (HAZ). Pri običajnih nanosekundnih laserjih je lahko HAZ razmeroma širok, medtem ko ga lahko krajše trajanje impulza (pikosekunda ali femtosekunda) znatno zmanjša.
Izguba kisika in razbarvanje– Med visoko{0}}temperaturno ablacijo, ki ji sledi hitro ohlajanje, lahko površina izgubi kisik in postane temnejša. Ta vidni črni/temni rob je povezan s spremembo kemije površine (zmanjšanje cirkonijevih ionov). Razbarvanje je pogosto reverzibilno; ponovno-segrevanje dela v atmosferi,-ki vsebuje kisik, lahko povrne belo barvo.
Fazna transformacija– Odvečna toplota lahko povzroči pretvorbo cirkonijevega oksida iz tetragonalne v monoklinično fazo blizu rezanega roba. Ta preobrazba lahko zmanjša lokalno lomno žilavost in poveča tveganje krušenja ali razpok. Resnost je odvisna od toplotne izpostavljenosti med obdelavo.
V praksi je doseganje reza brez-opeklin v veliki meri stvar nadzora HAZ. Krajša toplotna interakcija povzroči bolj bele in močnejše robove.
Trije laserski pristopi za rezanje brez-cirkonijevega dioksida
1. QCW Fiber Laser (1060–1080 nm)– Hitrost in debelina
Kvazi-neprekinjeno-valovni laserji z vlakni (QCW) delujejo z nanosekundnimi-impulzi, vendar modulirajo izhod, tako da se material ohladi med izbruhi impulzov. To prekinjeno segrevanje zmanjša kopičenje toplote v primerjavi z laserji z neprekinjenimi-valovi, hkrati pa ohranja visoke stopnje odstranjevanja materiala.
Velikost HAZ:običajno v nanosekundnem razredu, pogosto manjši, ko je delovni cikel skrbno prilagojen.
Prednosti:visoka zmogljivost, zmožnost rezanja relativno debelih delov.
Primerno za:strukturni deli iz cirkonijevega dioksida od tankih do nekaj milimetrov debelih, -serijska proizvodnja.
Cena:zmerno (na splošno dražji od standardnih laserjev z nanosekundnimi vlakni, vendar cenejši od UV ali pikosekundnih sistemov).
Mnogi proizvajalci strojev ponujajo vire vlaken QCW za rezanje keramike z dobro ponovljivostjo in pokritostjo debeline. V enem poročanem primeru je rezanje serije tankih delov iz cirkonijevega dioksida z laserjem trajalo precej manj časa kot običajna CNC obdelava.
Ključna točka: QCW zagotavlja produktivnost; Nadzor izgorevanja je odvisen od ustrezne nastavitve parametrov.
2.UV laser (355 nm)– Fotokemično "hladno rezanje"
UV-laserji režejo predvsem s fotokemičnim pretrganjem vezi in ne s taljenjem. Visoka energija fotona neposredno prekine molekularne vezi, zato se zelo malo energije pretvori v toploto. To zmanjša razpoke zaradi toplotne-napetosti in karbonizacijo.
Velikost HAZ:zelo majhen, ki se približuje mikroskopskemu ali celo nanoskopskemu merilu; karbonizacija je praktično odsotna.
Prednosti:izjemno čisti robovi na tankih in krhkih materialih.
Primerno za:tanek cirkonijev dioksid (pod približno 0,3 mm), mikro-luknje, mikrostrukture z visokim--razmerjem stranic; visoki izkoristki so navedeni pri tankih substratih.
Cena:razmeroma visoka-običajno nekajkrat večja od sistema QCW.
3. Pikosekundni laser – Ultrahitra hladna ablacija
Pikosekundni laserji oddajajo impulze, ki so za velikostni red krajši od nanosekundnih impulzov. Energija se odloži tako hitro, da izhlapi material, preden lahko toplota difundira v okolico.
Velikost HAZ:blizu-ničle, s HAZ, ki je običajno veliko manjša kot pri nanosekundni obdelavi.
Prednosti:najboljša kakovost robov in minimalne toplotne poškodbe; prednostno za medicinske/zobozdravstvene-aplikacije in aplikacije z visoko trdnostjo.
Primerno za:ultra{0}}tanki ali natančni deli, kjer je fazna transformacija nesprejemljiva.
Cena:visoko (pogosto bistveno več kot QCW).
Hitra primerjalna tabela
|
Dimenzija |
QCW vlakna (ns) |
UV 355 nm |
Pikosekunda |
|
Širina impulza |
10⁻⁹ s |
razred ns–ps |
10⁻¹² s (1000× krajši) |
|
Mehanizem za odstranitev |
Nadzorovana toplota |
Fotokemični |
Hladna ablacija |
|
HAZ |
<50 μm class |
mikro–nano |
Skoraj-nič (<10 μm) |
|
Kakovost robov |
Dobro (potrebno prilagoditi) |
Odlično |
najboljše |
|
Prepustnost |
visoko |
Srednje |
Nizka–srednja |
|
Nevarnost opeklin/črnenja |
Srednje |
Zelo nizko |
Najnižja |
|
Relativni stroški stroja |
Srednje |
Srednje–visoko |
Visoka (3–5 × QCW) |
|
Tipična debelina |
0,2–11 mm |
<0.3 mm |
Ultra{0}}tanek / natančen |
Parametri procesa, ki pomagajo preprečiti opekline
Tudi najboljši laser lahko povzroči opekline, če parametri niso pravilno nastavljeni. Na splošno se priporočajo naslednje smernice:
Prekrivanje impulzov– Prekrivanje naj bo v zmernem območju (ne prenizko, ne previsoko). Prenizko prekrivanje ustvarja stopnice in toplotne konice; previsoka kopiči prekomerno toploto. Povečajte stopnjo ponavljanja, da povečate hitrost.
Hitrost skeniranja– Za rezanje keramike se pogosto najdejo hitrosti skeniranja v zmernem območju (npr. nekaj sto mm/s), da se prepreči pod-rezanje in mikro-razpoke na robovih.
Ko-aksialni pomožni plin– Uporaba inertnega plina (npr. dušika), ki je koaksialni z laserskim žarkom, pomaga odpihniti staljene ostanke, zmanjša plazemsko zaščito in omogoči aktivno hlajenje-to je preprost način za zmanjšanje HAZ in razbarvanja.
Nastavitev delovnega cikla (QCW) – ker QCW odvaja toploto med impulzi, se lahko povečanje intervala (nižji delovni cikel) pri enaki povprečni moči skrčiHAZ na debelejšem cirkoniju.
Strategija z več-prehodi, nizko{1}}energijo – Več plitvih prehodov z nizko-energijo impulza je pogosto boljših od enega globokega, vročega prehoda. To je običajna praksa pri UV in pikosekundnih laserjih.
Po-postopkovno žarjenje– Če rahla razbarvanost ostane, lahko rahlo žarjenje v atmosferi,-ki vsebuje belo barvo, lahko povrne belo barvo, saj je črnitev običajno reverzibilen učinek-pomanjkanja kisika. Vendar to ne bo obrnilo globoke fazne transformacije, zato je preprečevanje HAZ glavni cilj.
Izbira pravega stroja za vaš cirkonij
Debeli deli in velika prostornina → Sistem za rezanje vlaken QCW je pogosto najbolj produktivna izbira.
Tanke podlage, mikro-luknje ali kozmetični-kritični robovi → UV-laserji so prednostni.
Medicinski/zobozdravstveni deli, kjer se je treba izogibati fazni transformaciji → Picosecond je na splošno tehnično boljša možnost.
pogosta vprašanja
V: Ali je cirkonij mogoče lasersko rezati, ne da bi počrnel?
A: ja Črnenje je posledica izgube kisika v HAZ. Uporaba kratkega-impulza (UV ali pikosekunda) ali pravilno nastavljenega QCW s pomočjo plina lahko ohrani rob bel.
V: UV ali pikosekunda-katera je boljša?
A:Oba lahko zagotovita rezultate brez opeklin. UV je pogosto bolj ekonomičen za tanke podlage in mikro-elemente; pikosekunda daje najnižjo HAZ in je prednostna za medicinske/zobozdravstvene in trdnost-kritične komponente.
V: Ali je optični laser QCW primeren za cirkonij?
A:Da, še posebej za debelejše materiale in večji pretok. Zahteva natančno nastavitev intervalov, prekrivanja in pomožnega plina za nadzor HAZ.
V: Kako odstraniti črne madeže po rezanju?
A: Stopnja blagega žarjenja/ponovnega-sintranja lahko povrne belo barvo s ponovno-oksidacijo površine. Vendar to ne popravi nobene globoke fazne transformacije,-zato ostaja preprečevanje z nadzorom HAZ najboljši pristop
Zaključek
Rezanje cirkonijevega dioksida brez opeklin je dosegljivo, vendar je odvisno od ujemanja vrste laserja z zahtevami glede debeline in kakovosti ter od nastavitve parametrov za zmanjšanje kopičenja toplote. Za produktivnost na debelem cirkoniju je vlakno QCW močan kandidat; za ultra-tanke ali kozmetično-kritične robove je primeren UV; za medicinsko-razred, blizu-nič-robov HAZ, je prednostna pikosekunda.
Če potrebujete prilagojeno rešitev, številni proizvajalci laserjev ponujajo QCW, UV in pikosekundne keramične rezalne sisteme z vizualnim pozicioniranjem in dobro ponovljivostjo.Kontaktirajte YCLASERz vašimi zahtevami glede kakovosti materiala, debeline-robov za oceno postopka.
