jump to navigation

การลดขนาด HAZ ในกระบวนการ Laser micromachining October 31, 2010

Posted by viboon in : Manufacturing technologies , add a comment

สิ่งสำคัญที่สุดประการหนึ่งของการตัดวัสดุในระดับไมครอนด้วยเลเซอร์ คือการทำให้ได้รอยตัดที่เรียบตรงไม่มีมุมเอียงและปราศจากความเสียหายทางโครงสร้างของวัสดุอันเนื่องมาจากความร้อน หรือ Heat-affected zone (HAZ)

ในกระบวนการตัดวัสดุด้วยเลเซอร์นั้น พลังงานของ photon จะต้องมีมาพอที่จะสามารถทำลายพันธะทางเคมีที่อะตอมของวัสดุยึดจับกันอยู่ แต่ต้องไม่มากเกิดไปที่ทำให้เกิดความร้อนสะสมในเนื้อวัสดุ ซึ่งเป็นสาเหตุของการเกิด HAZ สิ่งที่ต้องคำนึงเมื่อต้องการลดขนาดหรืกกำจัด HAZ ในกระบวนการตัดวัสดุในระดับไมครอนด้วยเลเซอร์มีอยู่ 2 ส่วนคือ ปัจจัยด้านเลเซอร์ และชนิดวัสดุงาน

ในส่วนของเลเซอร์นั้น ความยาวคลื่นของแสงที่ใช้ควรจะสั้นเพื่อให้ได้ photon energy ที่สูง และสามารถทำลายพันธะที่ยึดจับกันภายในเนื้อวัสดุได้โดยง่าย หากใช้ความยาวคลื่นแสงที่ยาวมาก เช่นเลเซอร์ในกลุ่ม infrared จะทำให้วัสดุงานเกิดการสะสมทางความร้อนอันเนื่องมาจากการสั่นและการหมุนของอะตอมในเนื้อวัสดุ (Vibration-Rotation mode) นอกจากนี้ การเลือกใช้ pulse energy ที่เหมาะสม คือไม่สูงเกินไปที่นำไปสู่การสะสมความร้อน ก็จะช่วยให้ได้งานตัดที่มีคุณภาพดีได้

สำหรับความยาวของ pulse ควรจะให้สั้นมากที่สุดเพื่อให้ให้ peak power ที่สูง และได้ photon energy ที่สูงสำหรับการตัดวัสดุออกอย่างรวดเร็วด้วยการทำลายพันธะเคมีในเนื้อวัสดุภายในระยะเวลาอันสั้นที่สุดเพื่อหลีกเลี่ยงการเกิด HAZ สำหรับความถี่ของ pulse ควรมีความถี่ที่เหมาะสม กล่าวคือไม่ถี่มากจนเกินไปจนทำให้วัสดุที่ถูกตัดไม่มีเวลาพอที่จะถูกดีดออกจากบริเวณที่ถูกฉายด้วยเลเซอร์ การใช้ความถี่ที่สูงมากๆ อย่างในระดับหลายๆ MHz นั้น บางครั้งนอกจากจะไม่ช่วยให้ได้คุณภาพงานตัดที่ดีขึ้นแล้ว ยังทำให้ประสิทธิภาพในกระบวนการตัดในระดับไมครอนลดลงอีกด้วย เนื่องจากเมื่อแสงเลเซอร์ถูกฉายติดต่อกันด้วยระยะเวลาที่สั้นมาก หรือมีความถี่ที่สูงมากเกินไป ทำให้กลุ่มก๊าซวัสดุที่ระเหยออกจากผิวงานอันเนื่องมาจากการฉายด้วย pulse ก่อนหน้า ไม่สามารถออกจากบริเวณ cutting zone ได้ทัน ทำให้พลังงานของ pulse ในชุดถัดมาถูกดูดซับด้วยกลุ่มก๊าซของวัสดุที่กำลังวิ่งออกจากผิวงาน ทำให้ประสิทธิภาพการตัดลดลง

สำหรับรูปร่างของ laser beam profile นั้น ควรจะเป็นแบบ สี่เหลี่ยม หรือ uniform profile ที่เป็นแบบ flat-top เพื่อให้ได้รอยตัดที่ตรง ไม่มีมุมเอียง และพลังงานของ photon ที่ฉายลงผิววัสดุสามารถทำลายพันธะของวัสดุได้ไม่ก่อให้เกิดการสะสมของความร้อนในกรณีที่พลังงานไม่มากพอที่จะตัดเนื้อวัสดุออก แต่โดยปกติแล้ว laser beam profile จะอยู่ในรูปของ Gaussian beam ซึ่งบริเวณกึ่งกลางของ profile จะให้ energy density ที่สูง ทำให้วัสดุถูกตัดออกได้อย่างมีประสิทธิภาพ หากแต่บริเวณปีกด้านข้างที่ถัดออกมาจะมีพลังงานที่ต่ำกว่า ซึ่งทำให้เกิดการสะสมของความร้อนภายในเนื้อวัสดุงาน แม้ว่าการเลือกใช้ profile แบบ flat-top จะดีกว่าแบบ Gaussian แต่ด้วยค่าใช้จ่ายและความซับซ้อนของการปรับตั้งทำให้ flat-top beam ไม่เป็นที่นิยมนัก

สำหรับวัสดุงาน ควรเป็นวัสดุที่สามารถดูดซับ photon ได้ดี เพื่อเพิ่มอัตราการตัดวัสดุให้สูงมากขึ้น แต่ปกติแล้วเราไม่สามารถเปลี่ยนคุณสมบัติของเนื้อวัสดุได้ ในบางครั้งอาจมีการทาสีหรือเตรียมผิวงานเพื่อเพิ่มความสามารถในการดูดซับ photon ให้มากขึ้น วัสดุที่มีความสามารถในการนำความร้อนที่สูง มักจะให้คุณภาพรอยตัดที่ดีและมีขนาดของ HAZ ที่เล็กลง ดังนั้น หากเป็นไปได้ก็ควรเลือกใช้เลเซอร์ในการตัดวัสดุที่มีความสามารถในการนำความร้อนที่สูง แต่ถ้าเลือกไม่ได้ อาจต้องใช้ก๊าซเข้ามาช่วยในกระบวนการตัด เช่น การใช้ oxygen เพื่อทำให้เกิดปฏิกิริยา oxidation หรือ ใช้ nitrogen หรือ ก๊าซเฉื่อยอื่นๆ สำหรับปฏิกิริยา reduction การใช้ก๊าซเข้ามาช่วยในกระบวนการตัด นอกจากจะทำให้กระบวนการตัดทำได้ง่ายขึ้นแล้ว คือช่วยพัดเอาวัสดุที่ถูกตัดออกจาก cutting zone ยังจะช่วยควบคุมอุณหภูมิของกระบวนการตัดอีกด้วย นอกจากนี้ การตัดภายในสภาพแวดล้อมอื่นๆ เช่น การตัดภายใต้สูญญากาศหรือการตัดภายใต้ของเหลวก็มีนำมาใช้เพื่อลด HAZ ด้วยเช่นกัน

รูปประกอบจาก: http://www.medicaldevice-network.com/contractors/nanotechnology/lumera-laser/lumera-laser3.html


Tags: , , ,

Related posts:

Patrick Chappatte: The power of cartoons October 27, 2010

Posted by viboon in : Uncategorized , add a comment


Tags: , , ,

Related posts:

The roots of plant intelligence October 21, 2010

Posted by viboon in : Science and engineering , add a comment

Why do plants matter?

PS. There is a nice animation short film at the end of the presentation.


Tags: , , ,

Related posts:

การขึ้นรูปวัสดุด้วยเลเซอร์ (Laser Forming) October 19, 2010

Posted by viboon in : Manufacturing technologies , add a comment

การขึ้นรูปวัสดุด้วยเลเซอร์ หรือ Laser forming ถือเป็นกระบวนการขึ้นรูปด้วยกระบวนการทางกลและทางความร้อน (thermo-mechanical forming process) วิธีหนึ่งที่มีความยืดหยุ่นสูง เหมาะกับกระบวนการสร้างต้นแบบเร็วและกระบวนการที่มีปริมาณการผลิตไม่มาก

หลักการของ laser forming คือการฉายลำแสงเลเซอร์ลงบนผิวชิ้นงานที่ต้องการให้เกิดการดัดตัว เมื่อชิ้นงานได้รับความร้อนจะเกิดการงอตัวเช่นเดียวกับการพับขึ้นรูปโลหะแผ่นทั่วไป เพียงแต่กระบวนการไม่ต้องใช้เครื่องมือซับซ้อนใดๆ ในการยึดจับหรือให้แรงเพื่อให้วัสดุถูกพับงอตามมุมที่ต้องการ ข้อดีของกระบวนการนี้คือ ความง่ายในการควบคุมกระบวนการขึ้นรูป ให้ประสิทธิภาพในการขึ้นรูปสูง เหมาะกับงานหลายๆ ประเภท รวมถึงการขึ้นรูปวัสดุที่ยากต่อการดัด เช่น วัสดุในกลุ่ม ceramics และวัสดุเปราะเช่น ซิลิคอน ก็สามารถทำการดัดได้ด้วยกระบวนการนี้

ในกระบวนการขึ้นรูปทั่วไปจะใช้เครื่องมือในการยึดจับชิ้นงาน และเครื่องมือในการกดพับ ซึ่งอาจอยู่ในรูปของแม่พิมพ์ปั๊มขึ้นรูป เพื่อให้แรงกับวัสดุงานที่มากกว่าจุด yield strength แต่น้อยกว่า fracture strength ของวัสดุ หากแต่กระบวนการขึ้นรูปด้วยเลเซอร์นั้นจะใช้ความร้อนและการขยายตัวอันเนื่องมาจากความร้อน ทำให้ความเค้นที่เกิดขึ้นที่อยู่ในรูปของ tensile และ compressive ทำให้วัสดุเกิดการพับตัว

กระบวนการนี้เหมาะกับงานประเภท small batches แต่มีความซับซ้อนของงานมากๆ อันเนื่องมาจากความสามารถของเลเซอร์และระบบควบคุมการเคลื่อนที่สามารถเข้าถึงส่วนที่ต้องการพับได้ง่ายกว่าการออกแบบชุดแม่พิมพ์เพื่อใช้ในการพับ และเนื่องจากเป็นกระบวนการขึ้นรูปแบบไม่สัมผัสผิวชิ้นงาน ความถูกต้องแม่นยำของกระบวนการขึ้นรูปในส่วนที่เข้าถึงได้ยากจะดีกว่ากระบวนการขึ้นรูปโดยทั่วไป

สำหรับขนาดของลำแสงเลเซอร์และ power ที่ใช้ก็สามารถปรับได้เพื่อให้เหมาะกับงานและวัสดุแต่ละชนิด โดยวัสดุที่ยากต่อการขึ้นรูปด้วยวิธีทางกลนั้นสามารถถูกขึ้นรูปได้ง่ายเมื่อใช้เลเซอร์ โดยเฉพาะกับวัสดุที่ไวต่อความร้อน สำหรับโครงสร้างจุลภาคและบริเวณกระทบร้อน หรือ Heat-affected zone สามารถควบคุมได้หากเลือกใช้ parameters ในการขึ้นรูปที่เหมาะสม

มุมดัดที่ได้โดยทั่วไปต่อครั้งจะประมาณ 2 ถึง 10 องศา เมื่อทำการสแกนเลเซอร์บนส่วนที่ต้องการดัดหลายๆ ครั้ง มุมขนาด 90 องศา หรือมากกว่าก็สามารถทำการขึ้นรูปได้ โดยปกติแล้ว การสแกนเลเซอร์บนชิ้นงานในครั้งแรกจะได้มุมดัดที่มากกว่าการสแกนในครั้งต่อๆ ไป โดยมุมที่ได้จะผกผันกับครั้งของการสแกน สำหรับรัศมีของการพับนั้น จะขึ้นอยู่กับ laser parameters และขนาดของการ offset ในการสแกนในแต่ละครั้ง โดยการใช้ระยะ offset ที่น้อยๆ ก็จะให้รัศมีที่มุมพับน้อยลงตามไปด้วย

มุมที่ได้จากดัดนั้นจะเพิ่มขึ้นในแต่ละครั้งของการสแกน และขนาดมุมที่ได้จะมากขึ้นเมื่อทำการดัดชิ้นงานที่มีความหนาน้อยๆ แต่ถ้าชิ้นงานดัดมีความกว้างที่น้อยก็จะทำให้มุมที่ได้น้อยลงตามไปด้วย เนื่องจากปริมาณของเนื้อวัสดุที่ได้รับความร้อนมีน้อยลง ซึ่งจะไปลงขนาดของ compressive strain และขนาดของมุมดัดที่ได้ แต่ถ้าสัดส่วนของ ความกว้างต่อความหนาของวัสดุมีค่ามากกว่า 10 มุมดัดที่ได้แทบจะไม่ขึ้นอยู่กับความกว้างของชิ้นงาน

Ref: http://www.keytometals.com/page.aspx?ID=CheckArticle&site=kts&NM=260


Tags: , ,

Related posts:

"สารบรรณ" font แห่งชาติ October 17, 2010

Posted by viboon in : Uncategorized , add a comment

ตามมติคณะรัฐมนตรีวันที่ 7 กันยายน พ.ศ.2553 ให้หน่วยงานรัฐทุกแห่งใช้ font สารบรรณ และ font อื่นๆ ทั้งหมด 13 fonts ของสำนักงานส่งเสริมอุตสาหกรรมซอฟต์แวร์แห่งชาติ (SIPA) เพื่อตัดปัญหาเรื่องการละเลิดลิขสิทธิ์ font เช่น ผู้ที่ใช้ระบบปฏิบัติการ linux ไปเอา font ของ Windows มาใช้นั้น ถือว่าเป็นการทำผิดตามกฏหมายลิขสิทธิ์

ดังนั้น หันมาใช้ font “สารบรรณ” font แห่งชาติกันดีกว่าครับ


Download และดูรายละเอียดวิธีการติดตั้ง font
บน Windows, Mac, Linux ได้ที่

http://www.sipa.or.th/ewt_news.php?nid=481&filename=index


Tags: ,

Related posts:

MATLAB 2010a (Student version) October 15, 2010

Posted by viboon in : Matlab , add a comment

MATLAB & Simulink Student Version contains:

# MATLAB
# Simulink
# Symbolic Math Toolbox
# Control System Toolbox
# Signal Processing Toolbox
# Signal Processing Blockset
# Statistics Toolbox
# Optimization Toolbox
# Image Processing Toolbox

Ref: http://www.mathworks.com.au/academia/student_version/


Tags:

Related posts:

International Conference on Materials Processing and Technology (MAPT2011) October 14, 2010

Posted by viboon in : Conferences , add a comment

MAPT 2011 is hosted by the Department of Tool and Materials Engineering, King Mongkut’s University of Technology Thonburi, Thailand, and the Department of Precision Mechanics, Tokai University, Japan. MAPT 2011 will take place in Phuket, Thailand, on June 2nd-3rd, 2011.

The primary objective of MAPT conference is to bring together academics, scientists and engineers and provide them a chance for knowledge sharing, interactions and discussions on emerging technologies in materials processing. MAPT 2011 will cover all aspects of materials processing technology. The conference will include oral presentations with a published proceedings and keynote speeches on emerging technologies.
(more…)


Tags: , , ,

Related posts:

Ultrashort pulsed lasers กับคุณภาพงานตัดที่ดีกว่าเดิม October 13, 2010

Posted by viboon in : Manufacturing technologies , add a comment

ในทุกๆ ปี ชิ้นส่วนขนาดเล็กต่างๆ ถูกผลิตมากขึ้นเรื่อยๆ เพิ่มตอบสนองความต้องการในการผลิตเครื่องมือหรือผลิตภัณฑ์ต่างๆ ที่มีแต่จะเล็กลงและมีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น ในกระบวนการผลิตด้วยเลเซอร์ในแบบดั้งเดิมนั้น บางครั้งไม่สามารถที่จะผลิตชิ้นส่วนให้ได้ตรงตามความต้องการ เช่น การผลิตชิ้นส่วนขนาดเล็กที่มีความซับช้อนมาก และการผลิตที่สามารถให้พื้นผิวงานตัดที่สะอาดโดยไม่ต้องผ่านกระบวนการทำความสะอาดผิวหลังการตัดให้ยุ่งยาก

ความท้าทายนี้เป็นเป้าหมายหนึ่งของกระบวนการตัดวัสดุในระดับไมครอนด้วยเลเซอร์ ซึ่งได้มีการพัฒนาเลเซอร์ที่เปล่งแสงออกมาด้วยคาบเวลาในระดับ picosecond (ps) และ femtosecond (fs) โดยรู้จักกันในชื่อ ultrashort pulsed lasers หรือ ultrafast-pulse lasers (UFPLs) ด้วยคาบเวลาการฉายแสงที่สั้นมากๆ นี้ ทำให้พลังงานถูกส่งตรงไปเนื้อวัสดุ ไปทำลายพันธะในระดับอะตอมที่ยึดเกาะกันด้วยพันธะโลหะ ให้หลุดออก เป็นผลให้วัสดุระเหยออกไปอย่างรวดเร็วโดยปราศจากผลกระทบทางความร้อนในบริเวณข้างเคียง

การใช้เลเซอร์ที่มีคาบเวลาในการฉายแสงยาวๆ นั้น พลังงานที่เป็นผลมาจากการแผ่รังสีไม่มากพอที่จะทำให้วัสดุระเหยออกในทันทีที่ถูกฉายด้วยเลเซอร์ ซึ่งทำให้เกิดการสะสมของความร้อน และความร้อนที่ตกค้างภายในเนื้อวัสดุทำให้เกิดบริเวณกระทบร้อนหรือ heat-affected zone (HAZ) ด้วยเหตุนี้เอง การใช้เลเซอร์ที่ให้คาบการฉายแสงที่สั้นกว่าจะทำให้สามารถตัดวัสดุได้อย่างมีประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตาม เลเซอร์ที่ให้คาบการฉายแสงสั้นมากๆ นั้น จะมีความซับซ้อนและราคาที่สูงกว่าเลเซอร์ทั่วไป

เลเซอร์ส่วนใหญ่ที่ถูกใช้ในอุตสาหกรรมการตัดวัสดุจะให้คาบเวลาในการฉายแสงอยู่ในระดับ nanosecond แต่ก็เริ่มมีการนำเอา picosecond and femtosecond lasers เข้ามาใช้มากขึ้นเนื่องจากสามารถให้คุณภาพงานตัดที่ดีกว่า โดยเฉพาะในการขึ้นรูปโครงสร้างที่มีความซับซ้อนขนาดเล็ก พลังงานของเลเซอร์ที่ใช้ใน ultrashort pulsed lasers จะอยู่ในระดับ mJ แต่เมื่อพิจารณา peak power ของ 10-fs pulsed laser แล้ว พบความ peak power ที่ได้สูงถึง 100 GW หรือเปรียบได้เท่ากับที่ได้จากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ขนาดใหญ่ 100 เครื่อง และเมื่อพิจารณาขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของเลเซอร์ ยกตัวอย่างเช่น ขนาด 4 ไมครอน พลังงานที่ได้มีค่ามหาศาลมากซึ่งสูงในระดับ Terawatt หรือ 1012 W

ข้อดีของ ultrashort pulsed lasers คือความสามารถในการตัดวัสดุที่ให้ผลกระทบทางความร้อนน้อยมากหรือแทบไม่มีเลย และยังให้ความสามารถให้การตัดขึ้นรูปวัสดุได้ในระดับที่เล็กมากๆ โดยไม่ต้องคำนึงถึงคุณสมบัติด้านแสงและความยาวคลื่นเลเซอร์ที่ฉายของวัสดุตัด อย่างการใช้เลเซอร์ที่ให้คาบการฉายแสงที่ยาวกว่า

คำถามที่น่าสนใจคือว่า “แล้วคาบการฉายของเลเซอร์สั้นเท่าไหร่ถึงจะดี?”

การที่จะตอบคำถามนี้ ต้องมาดูปัจจัยด้านการถ่ายเทความร้อนเสียก่อน อันแรกคือ การดูดซับพลังงานของวัสดุ (absorption) ซึ่งโดยมากจะอยู่ที่ประมาณ 1 fs และอีกปัจจัยคือ การถ่ายเทความร้อนใต้ผิววัสดุที่ถูกฉายด้วยเลเซอร์ (subsurface heat transfer) ซึ่งการถ่ายเทความร้อนในระดับไมครอนนี้จะเกิดเร็วมาก อยู่ที่ราวๆ 1 ถึง 10 ps หรืออาจสรุปง่ายๆ ก็คือว่า หากต้องการตัดวัสดุด้วยเลเซอร์โดยไม่ต้องการให้เกิดผลกระทบทางความร้อนบนเนื้อวัสดุ คาบการฉายแสงควรอยู่ในช่วง 1 ถึง 100 fs หรืออย่างน้อย ต้องน้อยกว่า 1 ps

หากพิจารณาให้ละเอียดขึ้นในแง่ของวัสดุ ความลึกของการแพร่ทางความร้อน (thermal diffusion depth) ต้องน้อยกว่า optical skin depth ของวัสดุ ซึ่งประมาณคร่าวๆ ด้วย

Thermal diffusion depth = (Thermal diffusivity)*(Pulse duration)

และสำหรับการตัดแบบปราศจากความร้อน

Thermal diffusion depth << Optical skin depth หากพิจารณาขนาดของ HAZ นั้น ก็อาจประมาณให้มีขนาดเท่ากับ Thermal diffusion depth ก็ได้ และในขณะที่กำลังเขียนบทความนี้ Attosecond laser (10-18 s) ก็เริ่มมีใช้บ้างแล้วในห้องปฏิบัติการด้านฟิสิกส์อย่างที่ Max Planck Society ประเทศเยอรมันนี

รูปประกอบจาก: http://www.micreon.de/en/intertechnologie.shtml


Tags: , , , , , , ,

Related posts: