สามารถใช้เครื่องเคลือบด้วยเลเซอร์ในการปรับเปลี่ยนพื้นผิวของวัสดุที่ไม่ใช่โลหะได้หรือไม่?

หากคุณเคยคิดว่า “เดี๋ยวนะ เครื่องหุ้มด้วยเลเซอร์ พวกนี้มีไว้สำหรับโลหะใช่ไหม” คุณไม่ได้อยู่คนเดียว ฉันได้รับคำถามนี้ตลอดเวลาในฐานะผู้จำหน่ายเครื่องหุ้มด้วยเลเซอร์ และจริงๆ แล้วใช่ไหม ฉันเคยเห็นด้วยกับความคิดนั้นเช่นกันเมื่อหลายปีก่อน แต่ประเด็นสำคัญคือ การปรับเปลี่ยนพื้นผิวสำหรับวัสดุที่ไม่ใช่โลหะเป็นจุดที่เทคโนโลยีนี้ระเบิดอย่างเงียบ ๆ และไม่ใช่แค่ท่ออุตสาหกรรมหรือชิ้นส่วนเหมืองแร่หนักอีกต่อไป วันนี้ ฉันต้องการแจกแจงสิ่งที่เป็นไปได้ ข้อผิดพลาดที่ต้องจับตามอง และเหตุใดการใช้งานที่ไม่ใช่โลหะจึงถือเป็นการใช้งานที่น่าตื่นเต้นที่สุดสำหรับระบบ เช่น Laser Cladding System ของเรา

ก่อนอื่น เรามาทำความเข้าใจเรื่องนี้กันเป็นพื้นฐาน เพราะเมื่อคนส่วนใหญ่ได้ยิน "การหุ้มด้วยเลเซอร์" พวกเขานึกถึงผงโลหะที่หลอมละลายซึ่งหลอมรวมกับเหล็กหรืออะลูมิเนียมเพื่อหยุดการกัดกร่อนหรือการสึกหรอ อโลหะ เช่น เซรามิก โพลีเมอร์ แม้แต่วัสดุผสมบางชนิด ก็มีคุณสมบัติทางความร้อนที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง ตัวอย่างเช่น โพลีเมอร์จะละลายที่อุณหภูมิต่ำมาก (เช่น 100–300°C) เซรามิกจะเปราะและมีแนวโน้มที่จะแตกร้าวหากได้รับความร้อนเร็วเกินไป และคอมโพสิตอาจมีเส้นใยผสมที่ทำปฏิกิริยากับความร้อนอย่างประหลาด ดังนั้นกุญแจสำคัญในที่นี้ไม่ใช่แค่การพ่นความร้อนที่ชิ้นส่วนเท่านั้น แต่ยังเป็นการควบคุมที่แม่นยำ ซึ่งเป็นสิ่งที่การหุ้มด้วยเลเซอร์นำมาอย่างแน่นอน ไม่ใช่แค่วิธีการรักษาพื้นผิวอื่นๆ

เริ่มจากเรื่องใหญ่กันก่อน: เซรามิก ทุกคนใช้เซรามิกสำหรับสิ่งต่างๆ เช่น เครื่องมือตัด ส่วนประกอบด้านการบิน หรือแม้แต่การปลูกถ่ายทางการแพทย์ เนื่องจากมีความแข็งและทนความร้อน แต่ข้อบกพร่องที่ใหญ่ที่สุดคือความเปราะ เช่น ทุบเครื่องมือตัดเซรามิกแล้วเสร็จ หรือเกาการเคลือบเซรามิกเทียมสะโพกและนั่นเป็นปัญหาใหญ่ การหุ้มด้วยเลเซอร์สามารถแก้ไขได้ เดี๋ยวก่อน เรียกมันว่า "การปรับเปลี่ยนพื้นผิว" ในที่นี้ดีกว่า ไม่ใช่การหุ้มชิ้นส่วนทั้งหมด เราไม่ได้เพิ่มชั้นหนาของวัสดุอื่น เรากำลังปรับแต่งส่วนที่ 10–50 ไมครอนด้านบนเพื่อให้มีความแข็งมากขึ้นโดยไม่ทำให้แกนเซรามิกเสียหาย ยังไง? เราสร้างพัลส์เลเซอร์แทนที่จะทำงานอย่างต่อเนื่อง ดังนั้นมันจึงให้ความร้อนแก่พื้นผิวอย่างรวดเร็วเป็นพิเศษ (ไมโครวินาที) จากนั้นจึงเย็นตัวลงอย่างรวดเร็วพอๆ กัน เนื่องจากเซรามิกจำนวนมากทำหน้าที่เหมือนแผ่นระบายความร้อน เมื่อปีที่แล้ว เราทำงานร่วมกับห้องปฏิบัติการทันตกรรมที่ใช้เครื่องสะสมพลังงานโดยตรงในการดำเนินการนี้กับการปลูกถ่ายเซอร์โคเนีย พวกเขาปรับเปลี่ยนพื้นผิวของเซรามิกให้เปราะน้อยลงเล็กน้อย ดังนั้นมันจะไม่แตกเมื่อติดเข้ากับกราม และยังคงรักษาสิ่งที่ผู้ป่วยขัดเงาที่เข้ากันได้ทางชีวภาพชื่นชอบ ก่อนหน้านั้น พวกเขากำลังบดพื้นผิว ซึ่งทำได้เพียงเท่านี้ การหุ้มด้วยเลเซอร์ทำให้พวกเขาควบคุมได้อย่างละเอียด

จากนั้นก็มีโพลีเมอร์ ฉันรู้ว่าโพลีเมอร์และเลเซอร์ฟังดูเหมือนอันตรายจากไฟไหม้ แต่โพลีเมอร์ดัดแปลงมีอยู่ทั่วไปทุกหนทุกแห่ง ไม่ว่าจะเป็นชิ้นส่วนรถยนต์ เคสโทรศัพท์ แม้แต่บรรจุภัณฑ์ที่ไล่แบคทีเรีย เคล็ดลับคือการใช้เลเซอร์พลังงานต่ำ ซึ่งต่ำกว่าที่เราใช้กับโลหะมาก และทำงานร่วมกับเทอร์โมพลาสติกเชิงวิศวกรรม เช่น PEEK หรือ ABS ซึ่งยึดเกาะได้ดีกว่าพลาสติกทั่วไป ลูกค้าในภาคยานยนต์ใช้เครื่อง DMD ของเราปรับแต่งพลาสติกภายในแผงหน้าปัดรถยนต์ไฟฟ้า พลาสติกเดิมเรียบเกินไป ดังนั้นจึงเกิดรอยขีดข่วนได้ง่ายและมีแสงจ้าเมื่อถูกแสงแดด เราใช้เลเซอร์พลังงานต่ำไปบนพื้นผิว โดยไม่ละลายทั้งหมด เพียงแค่ทำให้ชั้นบนสุดหยาบด้วยกล้องจุลทรรศน์ และเพิ่มรูปแบบเล็กๆ ที่แม่นยำ มันไม่ได้เปลี่ยนความยืดหยุ่นหรือน้ำหนักของพลาสติก แต่ทำให้พื้นผิวทนต่อการขีดข่วนและตัดแสงสะท้อนได้ 60% นั่นคือการปรับเปลี่ยนพื้นผิว ไม่ใช่การหุ้มชิ้นส่วนทั้งหมด และมีความสม่ำเสมอมากกว่าการพ่นทราย ซึ่งมักจะทำให้มีจุดที่ไม่สม่ำเสมอหรือมีเศษทราย

แต่เดี๋ยวก่อนมีการจับ ไม่ใช่โลหะทั้งหมดที่จะเล่นได้ดีกับการหุ้มด้วยเลเซอร์ โพลีเมอร์อ่อนเช่นพีวีซี? พวกมันปล่อยควันพิษเมื่อถูกความร้อน ดังนั้นคุณจึงต้องมีห้องที่ปิดสนิทและห้องสกัดควัน เซรามิกที่มีความพรุนสูง? ความร้อนของเลเซอร์อาจทำให้เกิดรอยแตกเล็กๆ ที่กระจายลึกเข้าไปในชิ้นส่วน ดังนั้น คุณต้องทำการทดสอบล่วงหน้าเพื่อปรับความถี่พัลส์ และวัสดุคอมโพสิต เช่น พลาสติกเสริมคาร์บอนไฟเบอร์ (CFRP) นั้นมีความซับซ้อนเนื่องจากเส้นใยคาร์บอนนำความร้อนแตกต่างจากเมทริกซ์โพลีเมอร์ หากคุณไม่ควบคุมความเร็วและกำลังของเลเซอร์ คุณจะเผาเมทริกซ์หรือทำลายเส้นใย ซึ่งจะทำให้ทั้งส่วนอ่อนตัวลง เมื่อเร็วๆ นี้เราได้ช่วยซัพพลายเออร์ด้านการบินและอวกาศทดสอบสิ่งนี้: พวกเขาต้องการปรับเปลี่ยนพื้นผิวของแผงดาวเทียม CFRP ให้ทนทานต่อการขีดข่วนในพื้นที่ได้มากขึ้น และเราต้องปรับแต่งระบบหุ้มด้วยเลเซอร์ของเราให้ทำงานช้าลง 50% เมื่อเทียบกับโลหะ โดยมีพลังงานน้อยกว่า 70% ต้องใช้เวลาทดสอบสามรอบ แต่เราทำให้มันใช้งานได้โดยไม่ทำลายเส้นใย

อีกด้านที่ฉันไม่ได้ยินมากพอคือแก้ว เดี๋ยว แก้วไม่ใช่โลหะใช่ไหม? และใช้สำหรับทุกอย่างตั้งแต่หน้าจอโทรศัพท์ไปจนถึงแผงโซลาร์เซลล์ รอยขีดข่วนบนกระจกถือเป็นฝันร้าย ซึ่งจะทำลายจอแสดงผลหรือลดประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ การหุ้มด้วยเลเซอร์สามารถปรับเปลี่ยนพื้นผิวกระจกให้ทนต่อการขีดข่วนได้โดยไม่ต้องเปลี่ยนเป็นพลาสติก ผู้ผลิตอุปกรณ์พลังงานแสงอาทิตย์ทำงานร่วมกับเราเมื่อปีที่แล้ว พวกเขาใช้เครื่อง DED ของเราทาชั้นซิลิคอนไนไตรด์ที่บางเป็นพิเศษ (ไม่ใช่โลหะ) กับพื้นผิวกระจกแผงโซลาร์เซลล์ โดยใช้เลเซอร์พลังงานต่ำที่เพิ่งหลอมชั้นบนสุดของกระจกและซิลิคอนไนไตรด์เข้าด้วยกัน ผลลัพธ์? กระจกทนทานต่อการขีดข่วนมากขึ้น 3 เท่า และชั้นซิลิคอนไนไตรด์ก็บางพอที่จะไม่บังแสงแดด โดยประสิทธิภาพยังคงเท่าเดิม ซึ่งเป็นชัยชนะครั้งใหญ่ ก่อนหน้านั้นพวกเขาใช้สารเคลือบเคมีที่จะเสื่อมสภาพหลังจากผ่านไปหนึ่งปี พื้นผิวที่ผ่านการดัดแปลงด้วยเลเซอร์จะมีอายุการใช้งานการรับประกันแผงเป็นเวลา 25 ปีเต็ม

มาคุยกันว่าทำไมเรื่องนี้ถึงสำคัญกับธุรกิจของฉันด้วย เมื่อฉันเริ่มขายเครื่องหุ้มด้วยเลเซอร์ ลูกค้าทั้งหมดของฉันเป็นบริษัทเหมืองแร่ (ลองดูเครื่องหุ้มด้วยเลเซอร์สำหรับการขุดของเรา หากคุณต้องการ) หรือร้านขายยานยนต์ที่ผลิตชิ้นส่วนโลหะ ตอนนี้? คำถามของฉันครึ่งหนึ่งมาจากภาคส่วนที่ไม่ใช่โลหะ เช่น ทันตกรรม การบินและอวกาศ ภายในรถยนต์ แม้แต่บรรจุภัณฑ์อาหาร (มีคนต้องการดัดแปลงบรรจุภัณฑ์พลาสติกเพื่อต้านทานแบคทีเรียสำหรับชุดอาหาร) นั่นไม่ใช่แฟชั่น วิศวกรจำนวนมากขึ้นตระหนักว่าการรักษาพื้นผิวแบบดั้งเดิมสำหรับการพ่นทราย การกัดด้วยสารเคมี หรือการพ่นพลาสมา นั้นมีข้อเสียอยู่ การพ่นทรายเป็นเรื่องยุ่ง การกัดด้วยสารเคมีเป็นพิษ การพ่นพลาสมาไม่สามารถสร้างลวดลายที่ละเอียดและแม่นยำได้ การหุ้มด้วยเลเซอร์? มันสะอาด แม่นยำ ทำซ้ำได้ และคุณสามารถควบคุมได้อย่างแน่ชัดว่าการแก้ไขจะลึกแค่ไหน ไม่มีการคาดเดา

แต่นี่คือคำพูดที่แท้จริง: มันไม่ใช่ขนาดเดียวที่เหมาะกับทุกคน หากมีใครมาหาฉันที่ต้องการปรับเปลี่ยนพื้นผิวของเล่นพลาสติกราคาถูกให้ทนทานต่อการขีดข่วน ฉันคงจะบอกพวกเขาไปว่าการหุ้มด้วยเลเซอร์ไม่คุ้มกับราคา เครื่องจักรนี้เป็นการลงทุน โดยปกติจะเริ่มต้นที่ 50,000–200,000 ดอลลาร์ ขึ้นอยู่กับการตั้งค่า (เช่น เครื่องสะสมพลังงานโดยตรงของเรามีหัวฉีดพิเศษสำหรับวัสดุที่แตกต่างกัน) แต่ถ้าเป็นชิ้นส่วนที่มีมูลค่าสูง เช่น การปลูกถ่ายทางการแพทย์ ส่วนประกอบการบินและอวกาศ หรือแผงโซลาร์เซลล์ที่ความทนทานเป็นสิ่งสำคัญและรอยขีดข่วนอาจต้องใช้เงินหลายพันในการซ่อมหรือเปลี่ยนทดแทน ก็ถือว่าคุ้มค่ากับเงินที่เสียไป เราจะทดลองใช้ชิ้นส่วนตัวอย่างของลูกค้าฟรีเสมอก่อนที่จะซื้อ เพื่อให้แน่ใจว่าการตั้งค่าเลเซอร์ใช้งานได้และการปรับเปลี่ยนจะปรับปรุงพื้นผิวได้จริงโดยไม่ทำให้ชิ้นส่วนเสียหาย

ฉันมีลูกค้ากลับมาหาฉันเพื่อทำสิ่งอื่นด้วย ห้องปฏิบัติการทันตกรรมที่ทำการฝังเซอร์โคเนียในภายหลังถามว่าเราสามารถใช้เครื่อง DMD ของเราเพื่อเพิ่มเครื่องหมายเล็กๆ น้อยๆ ที่แม่นยำให้กับรากฟันเทียมเพื่อให้ตรวจสอบย้อนกลับได้หรือไม่ ซึ่งมีขนาดเล็ก แต่นั่นเป็นการใช้การปรับเปลี่ยนพื้นผิวอีกรูปแบบหนึ่งที่พวกเขาไม่เคยคิดจะถามในตอนแรกด้วยซ้ำ บริษัทรถยนต์อีกแห่งหนึ่งใช้แดชบอร์ดที่ดัดแปลงด้วยเลเซอร์ แล้วโทรมาให้เราแก้ไขปัญหารอยขีดข่วนบนแผงประตูโลหะของบริษัทด้วย นั่นเป็นข้อดีของการหุ้มด้วยเลเซอร์ เนื่องจากมีความอเนกประสงค์ ดังนั้นเมื่อลูกค้าได้รับแล้ว พวกเขาก็พบว่าการหุ้มด้วยเลเซอร์มีประโยชน์มากขึ้นทั่วทั้งธุรกิจของพวกเขา

ตอนนี้ ฉันรู้ว่าพวกคุณบางคนยังคงนั่งอยู่ที่นั่นโดยคิดว่า "เดี๋ยวก่อน ฉันสามารถใช้สิ่งนี้กับชิ้นส่วนที่ไม่ใช่โลหะของฉันได้จริงหรือ" มาดูรายละเอียดง่ายๆ กัน: หากชิ้นส่วนของคุณมีมูลค่าสูง ต้องการการปรับแต่งพื้นผิวที่แม่นยำ (ความต้านทานการขีดข่วน การลดความเปราะบาง การป้องกันแสงสะท้อน) และคุณสามารถจัดการกับค่าใช้จ่ายในการติดตั้งได้ แล้วล่ะก็ ใช่ แต่คุณต้องเลือกเครื่องให้เหมาะกับงาน ระบบหุ้มด้วยเลเซอร์ของเราเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการปรับเปลี่ยนพื้นผิวขั้นพื้นฐานบนชิ้นส่วนที่เรียบ เช่น แผงกระจกหรือพลาสติก เครื่องสะสมพลังงานโดยตรงเหมาะสำหรับรูปร่างที่ซับซ้อนมากขึ้น เช่น ชิ้นส่วนเซรามิกโค้งหรือส่วนประกอบ CFRP ที่ไม่ปกติ เครื่อง DMD เหมาะสำหรับชั้นบางเฉียบและแม่นยำ เช่น ซิลิคอนไนไตรด์บนกระจกแสงอาทิตย์ เครื่องเคลือบเลเซอร์สำหรับการขุด? นั่นสำหรับชิ้นส่วนเหมืองแร่โลหะ แต่ถ้าคุณต้องการก้าวไปไกลกว่าโลหะ เราก็มีชิ้นอื่นๆ ให้เลือก

ข้อผิดพลาดที่ใหญ่ที่สุดที่ฉันเห็นลูกค้ารายใหม่ทำคือการพยายามใช้การตั้งค่าเดียวกันกับที่พวกเขาใช้กับโลหะบนอโลหะ การเพิ่มกำลังสูงเกินไปโดยใช้เลเซอร์ต่อเนื่อง โดยไม่คำนึงถึงการนำความร้อน ทั้งหมดนี้จะทำให้ชิ้นส่วนเสียหาย ซึ่งเป็นสาเหตุที่เราจับมือพวกเขาตลอดทุกขั้นตอน เราไม่เพียงแค่ขายเครื่องจักรและหลอกคุณเท่านั้น เราช่วยคุณทดสอบตัวอย่าง ปรับการตั้งค่า และฝึกอบรมทีมของคุณให้ใช้อย่างถูกต้อง นั่นคือความแตกต่างระหว่างซัพพลายเออร์กับคนที่เพิ่งบรรจุกล่องเครื่องจักรและจัดส่ง

ท้ายที่สุดแล้ว การปรับเปลี่ยนพื้นผิวสำหรับวัสดุที่ไม่ใช่โลหะด้วยการหุ้มด้วยเลเซอร์ยังคงเป็นพื้นที่ที่กำลังเติบโต แต่ไม่ใช่เทคโนโลยีแห่งอนาคต ขณะนี้ได้มาถึงแล้ว และกำลังเปลี่ยนวิธีที่เราสร้างชิ้นส่วนที่มีอายุการใช้งานยาวนานขึ้น ทำงานได้ดีขึ้น และทำงานได้มากขึ้น หากคุณอยู่ในภาคส่วนที่ทำงานกับชิ้นส่วนที่ไม่ใช่โลหะมูลค่าสูง และคุณกำลังเผชิญกับปัญหาพื้นผิวที่วิธีการแบบเดิมๆ ไม่สามารถแก้ไขได้ อย่าละเลยการหุ้มด้วยเลเซอร์ เราสามารถอธิบายสิ่งที่เครื่องจักรของเรา (เช่น เครื่องที่ลิงก์ด้านบน) สามารถทำอะไรกับชิ้นส่วนเฉพาะของคุณได้ และทดสอบตัวอย่างเพื่อให้คุณแสดงผลลัพธ์ที่แท้จริง

หากคุณต้องการสำรวจว่าระบบของเราสามารถทำอะไรได้บ้างสำหรับความต้องการในการปรับเปลี่ยนพื้นผิวที่ไม่ใช่โลหะ โปรดติดต่อทีมของเราเพื่อเริ่มการสนทนาและรับการประเมินแบบกำหนดเองสำหรับโครงการของคุณ

อ้างอิง

1. "การปรับเปลี่ยนพื้นผิวด้วยเลเซอร์ของเซรามิกส์: การทบทวนความก้าวหน้าล่าสุด" วารสารการประยุกต์ใช้เลเซอร์ ฉบับที่ 32, ไม่ใช่. 2/02/2020 น. 022001.
2. การสะสมพลังงานโดยตรง: เทคโนโลยีการผลิตสารเติมแต่งอเนกประสงค์ คู่มือการผลิตสารเติมแต่ง, CRC Press, 2021, หน้า 417–452
3. "การปรับเปลี่ยนพื้นผิวของโพลีเมอร์ผ่านการฉายรังสีเลเซอร์แบบพัลซ์เพื่อเพิ่มคุณสมบัติทางกลและทางแสง" วิศวกรรมศาสตร์และวิทยาศาสตร์โพลีเมอร์ ปีที่ 1 59 ไม่ใช่ 8 กันยายน 2019 หน้า 1567–1575
4. "ความก้าวหน้าในการหุ้มด้วยเลเซอร์สำหรับพื้นผิวอโลหะ: ความท้าทายและโอกาส" วารสารนานาชาติด้านเทคโนโลยีการผลิตขั้นสูง ฉบับที่ 112, ไม่ใช่. 9–10, 2021, หน้า 2689–2705.
5. "การเพิ่มความต้านทานการขีดข่วนของกระจกด้วยการเคลือบซิลิคอนไนไตรด์ที่เกิดจากเลเซอร์สำหรับการใช้งานพลังงานแสงอาทิตย์" วัสดุพลังงานแสงอาทิตย์และเซลล์แสงอาทิตย์ เล่ม 2 211, 2020, น. 110557.