Установка для лазерной перфорации многослойных рулонных материалов
Полезная модель относится к технике для перфорации отверстий в тонких многослойных рулонных материалах и сварки тонких пленок, в частности, для изготовления экранно-вакуумной теплоизоляции.
Установка для лазерной перфорации отверстий, включает в себя несущую раму 1, на противоположных вертикальных стойках 2 которой смонтированы, с возможностью вращения, исходные валы 3, 6 и приемный вал 4. Приемный вал 4 соединен с приводом 5. Между стойками 2, смонтированы, с возможностью вращения, промежуточные валы 8 и 9. Установка также включает узел перфорации 10, состоящий из сканирующего устройства 11, включающего в себя сканатор 12 с линейным приводом 13 его перемещения, лазерный излучатель 14, блок 15 управления и питания лазерного излучателя 14, и поддерживающий рабочий элемент 16. Излучение на сканатор 12 передается посредством оптического волокна 17 от лазерного излучателя 14. Поддерживающий элемент 16, в зоне которого происходит перфорация, закреплен между промежуточными валами 8 и 9 и представляет собой полый профиль прямоугольного сечения со сквозной продольной прорезью 17, длина которой равна ширине перфорируемого материала и, выполненной со стороны контакта с перфорируемым материалом, а полость профиля соединена с системой вытяжки 18. Также установка снабжена управляющим компьютером 20, с которым соединены привод 5 приемного вала 4, линейный привод 13 сканирующего устройства 11, сканатор 12, блок 15 управления и питания лазерного излучателя, датчики 21 вращения исходных валов 3 и 6, установленные на торцах этих валов, датчик 22 скорости движения материала, установленный на торце первого промежуточного вала 8, и система вытяжки 18.
1 независимый пункт формулы, 4 фигуры чертежей.
Полезная модель относится к технике для перфорации отверстий в тонких материалах и сварки тонких пленок, в частности, для изготовления экранно-вакуумной теплоизоляции.
Экранно-вакуумная теплоизоляция, состоящая из многих слоев металлизированных пленок полиэтилентерефталатной и полиимидной с одновременным ее дублированием прокладочным материалом, например, холстом стекловолокнистым, предназначена для тепловой защиты космических аппаратов от воздействия окружающей среды с целью уменьшения теплообмена и сохранения необходимых тепловых условий для успешной работы этих изделий.
Для лучшего вакуумирования и защиты от электростатического разряда слои пленки для мата ЭВТИ необходимо перфорировать. Принято перфорировать пленку для мата ЭВТИ отверстиями с диаметром 2 мм на расстоянии 50 мм друг от друга.
Известно оборудование для изготовления ЭВТИ, состоящее из двух независимых установок: установки для перфорации пленок, которая предназначена для автоматизированной перфорации супертонких (5-20 мкм) полимерных пленок, в т.ч. металлизированных, применяемых для изготовления ЭВТИ, в космической, теплоэнергетической и холодильной технике (диаметр перфорируемых отверстий равен 2±0,1 мм) и установки для гофрирования и дублирования пленок со стекловуалью (УОП-2М), которая предназначена для изготовления материала ЭВТИ шириной 600 мм путем гофрирования перфорированной пленки (полиэтилентерефталатной и полиимидной) с одновременным ее дублированием прокладочным материалом (например, холстом стекловолокнистым) (см. сайт (http://www.ua.all.biz/oborudovanie-dlya-izgotovleniya-ekranno-vakuumnoj-g1385259).
Работа установки для перфорации основана на контактном воздействии на материал. Перфорация осуществляется с помощью электрически нагреваемого вала с игольчатыми сегментами, который вращается со скоростью обрабатываемой пленки вместе с термостойким щетинистым валом.
Недостатками установки являются невозможность варьирования диаметров перфорируемых отверстий, не очень высокое качество кромок после перфорации вследствие механического воздействия, возможность повреждения перфорируемого материала за счет его прилипания к нагретым частям устройства, а также необходимость последующей операции дублирования пленки прокладочным материалом.
Недостатком второй установки является необходимость использования уже проперфорированных пленок, что добавляет лишний технический процесс.
Известно также, взятое за прототип, устройство для перфорации рулонных материалов, несущую раму, на противоположных вертикальных стойках которой смонтированы, с возможностью вращения, исходный и приемный валы, смонтированные между ними с возможностью вращения, промежуточные валы, привод, соединенный с приемным валом, узел перфорации, включающий лазерный излучатель, блок управления и питания лазерного излучателя и поддерживающий рабочий элемент, продольная ось которого параллельна продольным осям промежуточных валов, между которыми, в зоне выполнения перфорации, он смонтирован, а также систему вытяжки и защитные экраны (патент на полезную модель RU 121185 от 21.06.2012, МПК B26F 1/31). Излучающее устройство по данному патенту представляет собой набор световых излучателей либо в виде лазеров, либо в виде диодов с линзами, расположенных в линию по ширине материала в количестве, соответствующем количеству пробиваемых или прожигаемых отверстий.
Недостатками данного устройства, как и в предыдущих устройствах, является то, что оно предназначено только для выполнения перфорации в одном материале, а соединение его с другими материалами, входящими в состав ЭВТИ необходимо производить на другом оборудовании. Кроме того, выполнение перфорации устройством, включающим в себя несколько световых излучателей, усложняет конструкцию, а прожигание или пробивание отверстий основано на том, что обработка материала ведется высококонцентрированным источником энергии. Основными процессами, протекающими при образовании отверстий, являются плавление и испарение материала. За счет плавления стенок происходит увеличение отверстия по диаметру, а за счет испарения - отверстие растет вглубь.
Недостатком данного метода являются также большие энергозатраты на удаление материала, не очень высокое качество кромки отверстия, а также абляция, т.е. осаждение удаленного материала в виде копоти на чистых поверхностях пленок для мата ЭВТИ, что недопустимо для космической отрасли. Еще одним недостатком является невозможность получения различных диаметров отверстий. Для изменения диаметра отверстия необходимо менять оптику.
Предлагаемое техническое решение направлено на устранение вышеуказанных недостатков и обеспечение возможности изготовление ЭВТИ (и других многослойных изделий) с помощью одного устройства.
Ниже при раскрытии сущности полезной модели и рассмотрении ее конкретной реализации будут названы и другие виды достигаемого технического результата.
Данный технический результат достигается тем, что, предлагаемая установка, как и известное, взятое за прототип, устройство, включает несущую раму, на противоположных вертикальных стойках которой смонтированы, с возможностью вращения, исходный и приемный валы, смонтированные между ними с возможностью вращения, промежуточные валы, привод, соединенный с приемным валом, узел перфорации, включающий лазерный излучатель, блок управления и питания лазерного излучателя и поддерживающий рабочий элемент, продольная ось которого параллельна продольным осям промежуточных валов, между которыми, в зоне выполнения перфорации, он смонтирован, а также систему вытяжки и защитные экраны, кроме того, в отличие от известного устройства, в предлагаемой установке узел перфорации снабжен, сканирующим устройством, включающим сканатор с линейным приводом его перемещения, соединенный с лазерным излучателем посредством оптического волокна, установка снабжена управляющим компьютером, а также, вторым исходным валом, смонтированным с возможностью вращения, на тех же стойках несущей рамы, что и первый исходный вал, и на данных валах установлены датчики вращения, при этом, с указанным управляющим компьютером соединены сканатор и линейный привод сканирующего устройства, блок управления и питания лазерного излучателя, привод приемного вала, датчики вращения исходных валов, датчик скорости движения материала, установленный на первом промежуточном валу и система вытяжки, кроме того, поддерживающий рабочий элемент узла перфорации представляет собой полый профиль прямоугольного сечения со сквозной продольной прорезью, длина которой равна ширине перфорируемого материала и, выполненной со стороны контакта с перфорируемым материалом, а полость профиля соединена с системой вытяжки.
Размещение на несущей раме дополнительного исходного вала позволило устанавливать на нем дополнительный рулон с материалом для получения на выходе многослойного перфорированного материала. Новое устройство отличается тем, что в качестве рабочего инструмента предлагается использовать один лазер, выходное излучение которого доставляется до зоны обработки посредством оптического волокна и направляется уже в самой зоне обработки с помощью сканатора. С помощью оптики удается достичь диаметра сфокусированного лазерного луча около 40 мкм. Максимально возможная скорость углового сканирования составляет 5 м/сек. Это позволяет производить вырезку отверстий по контуру (а не прожигать их) с меньшими энергозатратами по сравнению с другими методами, а также осуществлять одновременно процесс сварки материала пленки с прокладывающимся материалом по контуру отверстия путем оплавления кромки этого отверстия.
Удаление материала происходит с минимальной абляцией в отличие от прожигания отверстий, что обеспечивает высокую чистоту процесса. Большим преимуществом использования сканатора является возможность варьирования диаметра отверстия в достаточно широких пределах.
Таким образом, стало возможным совместить несколько операций, таких как перфорация и соединение слоев материала, образующих экранно-вакуумную теплоизоляцию, на одной установке, одновременно, что позволяет экономить не только время и энергозатраты, но и рабочие площади, занимаемые установкой.
Данное техническое решение поясняется чертежами, где:
на фиг.1 - представлен общий вид устройства;
на фиг.2 - представлена блок-схема устройства;
на фиг.3 - представлена для большей наглядности установка в проекции (правый защитный кожух снят);
на фиг.4 - схема движения луча в процессе работы (штрих-пунктирными линиями обозначено движение луча без компенсации смещения, основными линиями обозначено движение луча с компенсацией смещения)
Установка для лазерной перфорации отверстий многослойных рулонных материалов, включает в себя несущую раму 1, на противоположных вертикальных стойках 2 которой смонтированы, с возможностью вращения, исходный 3 и приемный 4 валы. Приемный вал 4 соединен с приводом 5 в виде шагового электродвигателя. На тех же стойках 2, на которых закреплен исходный вал 3, смонтирован также с возможностью вращения второй исходный вал 6. Между стойками 2, на поперечных балках 7, смонтированы, с возможностью вращения, промежуточные валы 8 и 9. Установка также включает узел перфорации 10, состоящий из сканирующего устройства 11, включающего в себя сканатор 12 с линейным приводом 13 его перемещения, лазерный излучатель 14 (фиг.2), блок 15 управления и питания лазерного излучателя 14, и поддерживающий рабочий элемент 16. Излучение на сканатор 12 передается посредством оптического волокна 17 от лазерного излучателя 14. Поддерживающий элемент 16, в зоне которого происходит перфорация, закреплен на балках 7, между промежуточными валами 8 и 9 и его продольная ось параллельна продольным осям промежуточных валов 8 и 9, между которыми он смонтирован.
Поддерживающий рабочий элемент 16 представляет собой полый профиль прямоугольного сечения с заглушками на торцах со сквозной продольной прорезью 17, длина которой равна ширине перфорируемого материала и выполненной со стороны контакта с перфорируемым материалом, а полость профиля соединена с системой вытяжки 18. Рабочая зона установки закрыта защитными экранами 19. Также установка снабжена управляющим компьютером 20 (фиг.2), с которым соединены привод 5 приемного вала 4, линейный привод 13 сканирующего устройства 11, сканатор 12, блок 15 управления и питания лазерного излучателя, датчики 21 вращения исходных валов 3 и 6, установленные на торцах этих валов, датчик 22 скорости движения материала, установленный на торце первого промежуточного вала 8, и система вытяжки 18.
Установка работает следующим образом.
Бобина 23 с металлизированной лавсановой лентой закрепляется на исходном валу 3 с помощью крепежных конусов. Данный тип крепления позволяет использовать бобины с различными внутренними диаметрами.
Бобина 24 с полиамидной тканью также закрепляется на валу 6 с помощью крепежных конусов. Датчики вращения 21 определяют наличие вращения валов 3 и 6. Сигнал от датчиков 21 с информацией о вращении валов 3 и 6 поступает на управляющий компьютер 20.
Для удобства подачи, а также экономии места валы 3 и 6 с бобинами 23 и 24 с материалами расположены один над другим. Материалы с этих бобин 23 и 24 подаются через два промежуточных вала: передний 8 и задний 9, а также через поддерживающий рабочий элемент 16 для обработки и удаления отходов перфорации, на бобину 25 с готовым изделием. Подача происходит с помощью привода 5 в виде шагового электродвигателя, закрепленного на несущей раме 1 и соединенного с приемным валом 4, на котором посредством крепежных конусов закреплена бобина 25 с, наматываемым на нее готовым изделием. Привод 5 связан с управляющим компьютером 20, с которого на него приходят сигналы для запуска, регулировки режима работы, а также остановки шагового электродвигателя 5.
Проходя передний промежуточный вал 8 материалы: металлизированная лавсановая лента и полиамидная ткань прижимаются друг к другу. Попадая в зону обработки, на поддерживающий рабочий элемент 16, материалы подвергаются воздействию лазерного излучения. В прорезь элемента 16 выпадают остатки перфорации, а именно вырезанные кружки материала. Для удаления этих отходов перфорации к полости элемента 16 через специальное сопло подсоединена система вытяжки 18. Управление работой данной системы вытяжки 18 осуществляется управляющим компьютером 20, посредством подаваемых на нее управляющих сигналов.
При воздействии лазерного излучения на материалы вырезаются отверстия диаметром 2 мм, а также одновременно происходит сварка материала пленки с прокладывающимся материалом по контуру отверстия за счет оплавления их краев.
Лазерным излучателем 14 служит, например, волоконный импульсный лазер YLP 1-100-20-20-RG с рабочей длиной волны 1,062 мкм, максимальной выходной мощностью 20 Вт и частотой следования импульсов от 20 до 100 кГц. Сканирующее устройство 11 служит для подачи излучения в зону обработки и представляет собой, например, сканирующую систему СМ-400 с угловым типом сканирования, максимальная скорость которого составляет 5 м/с, а размер рабочей зоны составляет 100×100 мм.
По команде управляющего компьютера 20, сканирующее устройство 11 направляет коллимированное излучение лазерного излучателя 14 на обрабатываемые материалы и формирует его по кругу.
Так как необходимо обрабатывать движущиеся материалы, то, следовательно, если использовать траекторию для обработки одного отверстия в виде окружности - на обрабатываемых материалах мы получим незаконченный контур, из-за их смещения в сторону движения. Поэтому требуется компенсировать это смещение сканирующим устройством 11, таким образом, чтобы относительно материала луч описывал только круговую траекторию в месте обработки (фиг.4).
Также для того, чтобы отверстия после перфорации находились на одной линии, перпендикулярной краю обрабатываемого материала, и на равном расстоянии друг от друга, возникает необходимость наклона линии сканирования.
То есть первое отверстие вырезается в самом начале зоны обработки, затем линия сканирования перемещается в сторону движения материалов на расстояние, которое проходит первое отверстие за время, пока линейный привод 13 переместит сканатор 12 на заданное между отверстиями расстояние в перпендикулярном краю материала направлении, происходит вырезка второго отверстия, далее все повторяется. Последнее отверстие находится в самом конце зоны обработки. В итоге относительно зоны обработки отверстия вырезаются по диагонали.
Для компенсации наклона линии сканирования осуществляется обратное смещение, компенсирующее трапецевидную траекторию сканирования.
Лазерный излучатель 14 и блок 15 управления и питания лазерного излучателя размещены рядом с установкой. От лазерного излучателя 14 посредством оптического волокна 17 лазерное излучение доставляется к сканатору 12.
Для перемещения сканатора 12 поперек обрабатываемых материалов используется линейный привод 13,а именно LSM-P-32-265-50, с длиной рабочего хода 740 мм и максимальной скоростью перемещения в 0,6 м/с. Линейный привод 13 соединен с управляющим компьютером 20, сигналы с которого управляют его работой.
Для управления работой сканатора 12 используется управляющий компьютер 20.
Затем скрепленные между собой перфорированные материалы, представляющие собой готовое изделие, проходят задний промежуточный вал 9, огибая его и наматываясь на бобину 25 на приемном валу 4.
На торце переднего промежуточного вала 8 расположен датчик 22 - инкрементальный энкодер, позволяющий определять скорость движения материала. Это необходимо для регулировки скорости вращения приемного вала 4, чтобы предотвратить разрыв материалов, а также корректировки работы сканирующего устройства 11 в случае неравномерности скорости наматывания готового изделия на бобину 25. Данный датчик 22 соединен с управляющим компьютером 20. Сигнал от датчика 22 с информацией о скорости вращения вала поступает на управляющий компьютер 20.
В случае возникновения экстренной ситуации: разрыв материалов, отсутствие вращения бобин 23, 24, 25 с материалами, неисправности линейного привода 13 и другого, срабатывает сигнализация и устройство отключается. Для индикации таких ситуаций на несущей раме расположена сигнальная штанга 26, сигналы об экстренных ситуациях на которую приходят от управляющего компьютера 20.
Также для защиты оператора установки от воздействия лазерного излучения зона обработки закрыта защитными экранами 19, которые не пропускают рабочую длину волны, тем самым защищают окружающих от попадания опасного лазерного излучения в глаза и другие участки тела. В местах крепления защитных экранов к несущей раме расположены концевые датчики 27, которые сигнализируют о том, что защитные экраны открыты 19, и оператор может подвергаться опасности воздействия лазерного излучения. Сигналы с этих датчиков 27 поступают на управляющий компьютер 20, где они обрабатываются и индицируются для оператора на экране с дублированием индикации сигнальными колоннами.
Таким образом, предложенная установка позволяет изготавливать слои ЭВТИ за один рабочий цикл, выполняя одновременно перфорацию отверстий и соединение слоев материала, при этом достигается снижение энергозатрат, а также увеличение скорости процесса (сварка слоев происходит одновременно с перфорацией), улучшение качества поверхности готового материала и кромок отверстий перфорации, а именно - сохранение прочности исходного материала, а также высокая чистота поверхности из-за уменьшения осаждение удаленного материала в виде копоти на поверхностях пленок для мата ЭВТИ, а также сокращение занимаемых рабочих площадей (одна компактная установка вместо двух).
Установка для лазерной перфорации отверстий многослойных рулонных материалов, содержащая несущую раму, на противоположных вертикальных стойках которой смонтированы с возможностью вращения исходный и приемный валы, смонтированные между ними с возможностью вращения промежуточные валы, привод, соединенный с приемным валом, узел перфорации, включающий лазерный излучатель, блок управления и питания лазерного излучателя и поддерживающий рабочий элемент, продольная ось которого параллельна продольным осям промежуточных валов и который смонтирован между промежуточными валами в зоне выполнения перфорации, систему вытяжки и защитные экраны, отличающаяся тем, что узел перфорации установки снабжен сканирующим устройством, включающим сканатор с линейным приводом его перемещения, соединенный с лазерным излучателем посредством оптического волокна, а установка снабжена управляющим компьютером, датчиками вращения исходных валов и скорости движения материала и вторым исходным валом, смонтированным с возможностью вращения на тех же стойках несущей рамы, что и первый исходный вал, при этом датчики вращения установлены на упомянутых валах, а с указанным управляющим компьютером соединены сканатор и линейный привод сканирующего устройства, блок управления и питания лазерного излучателя, привод приемного вала, датчики вращения исходных валов, датчик скорости движения материала, установленный на первом промежуточном валу и система вытяжки, причем поддерживающий рабочий элемент узла перфорации представляет собой полый профиль прямоугольного сечения со сквозной продольной прорезью, длина которой равна ширине перфорируемого материала и выполненной со стороны контакта с перфорируемым материалом, а полость профиля соединена с системой вытяжки.
