CO2激光烧蚀PMMA传热仿真与工艺研究

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亚克力(PMMA)材料广泛用于生产生活的各个场景,目前其一体化加工成型是限制发展的主要因素,本文提出通过CO2连续激光烧蚀PMMA板材,不仅使加工过程更加高效,而且加工材料的热影响区小,可对微细区域进行加工。CO2连续激光烧蚀PMMA板的加工过程,涉及高能量激光束与材料的相互作用以及声学、热学、力学等多种效应,建立传热模型研究烧蚀过程中的热传递机理,熔化与气化现象等关键问题,对于提高激光烧蚀质量、精度、效率至关重要。本文首先对CO2连续激光烧蚀加工机制与理论基础作出概述,以CO2激光烧蚀加工原理为基础,阐明了激光加工参数对烧蚀效果的影响,以及激光加工的工作方式对材料热处理的去除作用和激光加工参数对烧蚀过程的影响,对CO2激光烧蚀一定厚度的PMMA板功率进行计算,并通过实验论证了理论模型的可行性。其次根据CO2连续激光烧蚀PMMA板开展了数值模拟分析,在傅里叶传热模型的基础上建立相关传热模型,建立合适的边界条件以及使用有限差分法进行求解,通过仿真结果得出:激光功率密度为67.96 W/mm~2时,经烧蚀后的PMMA板材表面最高温度超过PMMA熔点约为490 K,激光能量已能够缓慢烧蚀PMMA板;激光功率密度提升至135.93 W/mm~2时,PMMA表面最高温度已超过气化温度达到650 K,此时激光能量可在短时间内气化板材;随着激光功率密度逐步提高至203.89 W/mm~2时,PMMA板材表面最高温度高达865 K,烧蚀区域被大量去除。实验中在三个功率密度下的烧蚀效果与仿真效果一致,因此通过此模型和仿真结果确立了在此激光参数下对PMMA板的烧蚀效果,证实了此传热模型的可行性,并且对CO2激光烧蚀其他材料时在参数选择方面做出指导。最后研究分析了CO2连续激光对PMMA板烧蚀实验过程与结果,通过对激光点射的半径和凹坑深度的研究,找到离焦量为0所对应的激光参数值,并确定了离焦量随凹坑直径、深度以及激光功率密度的演变规律;其次对PMMA板进行连续烧蚀实验,对实验结果进行分析,得到激光烧蚀PMMA板后凹坑表面粗糙度与激光移动速度和激光功率之间存在的规律特性,并且通过揉合最优参数范围,得出理想表面质量的烧蚀参数为:激光功率密度为402.71 W/mm~2,激光移动速度为90 mm/s,激光功率在90 W。通过此种加工工艺和方法可对CO2连续激光烧蚀其他非金属材料做参考。
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