Петрозаводск, Республика Карелия, Россия
с 01.01.2005 по 01.01.2011
Республика Карелия, Россия
с 01.01.1970 по настоящее время
Петрозаводск, Россия
Разработанная и изготовленная авторами конструкция экспериментальной установки на основе угле-кислотного лазера предназначена для изучения процессов и параметров лазерной обработки древесины, свя-занных с выявлением наиболее эффективных режимов резания для различных пород древесины, определения влияния плотности, твёрдости, текстуры и других отличительных признаков и свойств мягких и твёрдых пород древесины на качество и энергозатраты при обработке лазером. Одним из ключевых параметров лазерной об-работки является скорость сквозного реза, которая определялась для образцов шириной и длиной по 40 мм и толщиной 4-8 мм с шагом толщин 1мм следующих пород: ель, сосна, берёза, дуб, клён, осина. Значения скоро-стей находились путём вычисления отношения толщины образца к среднему времени выполнения реза. С це-лью изучения влияния лазерного излучения на химический состав древесины исследовалась динамика эле-ментного состава образцов различных пород древесины в зависимости от полученной дозы излучения от угле-кислотного лазера посредством растрового электронного микроскопа. Примерные энергозатраты при лазер-ной резке оценивались по формуле, включающую полученные в ходе экспериментальной работы параметры: длина реза, диаметр отверстия, мощность лазера, коэффициент полезного действия лазера и время сквозного реза. Результаты проведённого исследования показали, что наиболее высокие скорости резания наблюдались у мягких пород древесины с невысокой плотностью (ель, сосна, осина) в отличие от твёрдых (берёза, дуб, клëн). По мере увеличения дозы облучения для всех представленных пород изменяется процентное содержание угле-рода и кислорода в сторону увеличения первого и уменьшения второго. Наибольшие энергозатраты были за-фиксированы при обработке клёна (0.0009 кВт*ч). У мягких пород древесины определены значительно мень-шие (примерно в 2 раза) значения энергозатрат (0,0004-0,0005 кВт*ч). Проведённые исследования показали, что соответствующая корректировка режимов резания углекислотным лазером может стать средством целена-правленного изменения химического состава древесины, энергозатрат и качества её обработки в соответствии с современными технологическими требованиями
лазер, углекислотный лазер, древесина, лазерная обработка древесины, карбонизация, режимы резания
Введение
Древесина – универсальный натуральный материал, обладающий рядом положительных свойств: высокой прочностью при небольшом весе, хорошими теплоизоляционными свойствами, сопротивляемостью воздействию кислот и газов, экологичностью, возможностью быстрого соединения деталей из древесины и др. Однако, древесина, как материал, имеет и недостатки: гигроскопичность; анизотропность; пожароопасность; склонность к растрескиванию, короблению, гниению, поражению грибками и микроорганизмами. Кроме этого, древесное сырьё может иметь ряд природных дефектов, а также повреждения, полученные в ходе её заготовки [1,2]. Все эти особенности необходимо учитывать при обработке древесины.
Современные технологии позволяют эффективно обрабатывать все виды древесины и древесных материалов с целью получения качественных продуктов с высокой добавленной стоимостью. Среди подобного рода технологий можно выделить бесстружечную обработку высоко концентрированной энергией лазерного луча (лазерная обработка).
Технология обработки материалов лазерным излучением широко используется при резке и поверхностной обработке металлических и неметаллических материалов, в том числе древесины и древесных материалов [3-7].
Безусловными преимуществами лазерной обработки являются точность, универсальность, высокая производительность. Среди недостатков лазерного деления древесины выделяют большую энергоёмкость, ограниченность возможности выполнения реза больших глубин и невысокие скорости подачи [6].
Также лазерные технологии позволяют имитировать на поверхности древесины резьбу, в том числе, объёмную, рельефную [6,8]. До сих пор режимы лазерного гравирования не достаточно изучены.
В настоящее время значительное внимание уделяется изучению характеристик поверхностей, обработанных углекислотными лазерами, с целью целенаправленного изменения структуры и свойств древесины [3-5].
По результатам исследований C. Yang и др. (2019) [9], J. Kúdela и др. (2019) [10], A. Lungu и др. (2022) [11] спектроскопии и газовой хроматографии определено, что облучение древесины углекислотным лазером вызывает уменьшение количества полисахаридов в зависимости от количества подводимой энергии. Деградация коснулась, в первую очередь, гемицеллюлозы и некоторой части аморфной целлюлозы. Заметны изменения и в структуре лигнина.
Микроскопические наблюдения J. Kúdela и др. (2022) [12] показывают, что обработка древесины лазерным лучом может уменьшить шероховатость обработанной поверхности древесины за счёт расплавления клеток на глубину нескольких микрометров, но без карбонизации. И, наоборот, путём увеличения мощности и плотности лазерного излучения наблюдается существенное увеличение параметров шероховатости поверхности. Для гравированных поверхностей из древесины было подтверждено важное влияние всех параметров лазера (мощности, скорости движения лазерной головки, плотности растра и др.) на шероховатость, как отдельных пород древесины, так и анатомического направления волокон.
Обработка древесины лазерным лучом оказывает влияние и на смачиваемости древесины различными жидкостями. Значение угла смачиваемости является важным показателем для прогнозирования адгезии клеёв и лакокрасочных покрытий к поверхности древесины. Химические изменения в структуре древесины приводят также к изменению её цвета. Эти изменения связаны разрывом связей в хромофорных структурах, отвечающих за цвет древесины [9-12].
Проведённый анализ опубликованных результатов работ, указывает на то, что энергия, поглощённая поверхностью при обработке углекислотным лазером, вызывает химические изменения и влияет на свойства древесины (цвет, смачиваемость и др.). Эту энергию можно устанавливать и контролировать с помощью изменения мощности лазера, скорости движения лазерной головки, фокусного расстояния. Помимо количества подводимой энергии и её концентрации, толщина зоны термического влияния также зависит и от породы древесины [9-15].
Таким образом, результаты ранее проведённых исследований показывают, что соответствующая корректировка режимов резания углекислотным лазером может стать средством целенаправленной модификации поверхности древесины в соответствии с современными технологическими требованиями.
Экспериментальные исследования, проведённые I. Kubovský и др. (2020) [3], S. Nath и др. (2020) [4], Е.С. Шараповым (2019) [7] показали, что к основным факторам, влияющим на эффективность лазерной обработки древесины, относят: 1) Параметры лазера (мощность, режим работы, частота повторений импульсов и их длительность и др.); 2) Режимы резания (скорость подачи, глубина реза, фокусное расстояние линзы, фокусировка и др.); 3) Свойства древесины (твёрдость, плотность, влажность и пр.).
Также определено, что при использовании одинаковых режимов резания для разных пород древесины и различных древесных материалов происходит перерасход энергии, времени. При этом может снижаться качество продукции [3,6]. В результате использования режимов обработки без учёта породы и свойств древесины обработка лазером происходит либо не полностью, или, наоборот, возникает сильный пережёг материала, обугливание и даже воспламенение кромок реза [3,4,7].
В этой связи нами проведено исследование по выбору и обоснованию оптимальных режимов резания для отдельных пород древесины: сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.), ели обыкновенной (Picea abies (L.) H.Karst.), берёзы (Betula L.), клёна (Acer L.), дуба (Quercus L.), осины (Populus tremula L.). Представленные породы широко используются при изготовлении изделий специального назначения. Например, ель (P. abies), сосна (P. sylvestris), клён (Acer) подходят для изготовления корпусов и дек струнных музыкальных инструментов [16,17]. Древесина берёзы (Betula), осины (P. tremula), дуба (Quercus) может применяться в изделиях сувенирной продукции и пр. [18].
Целью исследования является определение основных параметров (скорости сквозного реза и энергозатрат) лазерной резки, а также изменений химического состава при лазерном облучении древесины некоторых мягких и твёрдых пород с помощью авторской экспериментальной установки на основе углекислотного лазера.
В ходе проведения исследования и интерпретации полученных результатов решались следующие основные задачи:
1. Выполнить проектирование и изготовление авторской экспериментальной установки на основе углекислотного лазера.
2. С помощью экспериментальной установки определить скорости сквозного реза при лазерной обработке образцов отдельных твёрдых и мягких пород древесины.
3. В образцах из древесины различных пород определить зависимости изменения процентного содержания кислорода и углерода от дозы лазерного излучения.
4. Выполнить измерения диаметров отверстий, полученных в результате лазерной резки, и проанализировать их возможные отклонения от заданных параметров.
5. Определить примерное время и энергозатраты при лазерной резке древесных образцов.
1. Селиверстов А.А., Симонова И. В., Талых А.А. Оценка качества еловых и сосновых сортиментов для производства продукции с повышенной добавленной стоимостью. Resources and Technology. 2024; 1: 73-85. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=65312292.
2. Ивановский В.П. Результаты экспериментальных исследований процесса разрезания древесины мягких пород дисковыми ножами. Лесотехнический журнал. 2021; 2(42): 99-107. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=46248448.
3. Kubovský I., Krišt’ák L’., Suja J., Gajtanska M., Igaz R., Ružiak I., Réh R. Optimization of Parameters for the Cutting of Wood-Based Materials by a CO2 Laser. Appl. Sci. 2020; 10: 8113.
4. Nath S., Waugh D.G., Ormondroyd G.A., Spear M.J., Pitman A.J., Sahoo S., Mason P. CO2 Laser Interactions with Wood Tissues During Single Pulse Laser-incision. Opt. Laser Technol. 2020; 126: 106069.
5. Moradi M., Moghadam M.K., Beiranvand Z.M. CO2 Laser Engraving of Injection Moulded Polycarbonate. Experimental Investigation. Lasers Eng. 2021; 48: 293-303.
6. Лазерные технологии для высококачественной резки по дереву. Молодой учёный. 2019; 50 (288). URL: https://moluch.ru/archive/288/91560/
7. Шарапов Е.С. Исследование физико-механических свойств и строения древесины методом лазерной резки. Деревообрабатывающая промышленность. 2019; 3:18-26.
8. Агафонов А.А., Хабибуллин А.Р., Матосов Г.Д. Разработка технологии лазерного гравирования древесины с учётом корреляционной зависимости. Фундаментальные и прикладные аспекты развития современной науки: сборник научных статей по материалам XII Международной научно-практической конференции. 2023; 1: 85-89. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=53875400.
9. Yang C., Jiang T., Yu Y., Bai Y., Song M., Miao Q., Ma Y., Liu J. Water-jet Assisted Nanosecond Laser Microcutting of Northeast China Ash Wood. Experimental Study. BioResources. 2019; 14: 128-138
10. Kúdela J., Reinprecht L., Vidholdová Z., Andrejko M. Surface Properties of Beech Wood Modified by CO2 Laser. Acta Facultatis Xylologiae Zvolen. 2019; 61: 5-18.
11. Lungu A., Timar M.C., Beldean E.C., Georgescu S.V., Co¸sereanu C. Adding Value to Maple (Acer pseudoplatanus) Wood Furniture Surfaces by Different Methods of Transposing Motifs from Textile Heritage. Coatings. 2022; 12: 1393.
12. Kúdela J., Kubovský I., Andrejko M. Surface Properties of Beech Wood after CO2 Laser Engraving. Coatings. 2020; 10: 77.
13. Kúdela J., Andrejko M., Mišíková O. Wood Surface Morphology Alteration Induced by Engraving with CO2 Laser Under Different Raster Density Values. Acta Facultatis Xylologiae Zvolen. 2021; 63: 35-47.
14. Kúdela J., Laga ˇna R., Andor T., Csiha C. Variations in beech wood surface performance associated with prolonged heat treatment. Acta Facultatis Xylologiae Zvolen. 2020; 62: 5-17.
15. Kúdela J., Laga ˇna R., Andor T., Csiha C. Variations in beech wood surface performance associated with prolonged heat treatment. Acta Facultatis Xylologiae Zvolen. 2020; 62: 5-17.
16. Талых А.А. Некоторые особенности отбора древесины для изготовления народных струнных щипковых музыкальных инструментов. Аллея науки. 2024; 2(89): 8-81.
17. Талых А.А., Гаврилова А.Д., Шишигин Д.А. О выборе защитно-декоративных покрытий для отделки корпусов и дек струнных музыкальных инструментов из древесины. Технология органических веществ: материалы 88-й науч.-техн. конф. профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов (с международным участием). 2024; 403-406. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=67330322.
18. Талых А.А. Особенности конструирования изделий из древесины сувенирного назначения. Advances in Science and Technology: сборник статей LVIII международной научно-практической конференции. 2024; 67-69. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=63855968.
19. Li R., He C., Xu W., Wang X.A. Prediction of Surface Roughness of CO2 Laser Modified Poplar Wood Via Response Surface Methodology. Maderas. Ciencia y Tecnología. 2022; 24: 1-12.
20. Li R., He C., Chen Y., Wang X. Effects of Laser Parameters on the Width of Color Change Area of Poplar Wood Surface During a Single Irradiation. Eur. J. Wood Prod. 2021; 79: 1109-1116.
21. Reinprecht L., Vidholdová Z. The Impact of a CO2 Laser on the Adhesion and Mold Resistance of a Synthetic Polymer Layer on a Wood Surface. Forests. 2021; 12: 242.
