MỞ ĐẦU Mục đích thực hiện đề tài Sinh viên cơ khí làm về đề tài này sẽ được trang bị kiến thức và kỹ năng về nguyên lý hoạt động của máy khắc laser, cách thiết kế và lắp ráp máy khắc laser, cách sử dụng phần mềm điều khiển máy khắc laser và cách xử lý các vật liệu bằng máy khắc laser. Đây là một đề tài có tính thực tiễn cao và có giá trị ứng dụng rộng rãi trong thời đại công nghệ 4. Mục tiêu thực hiện đề tài - Nghiên cứu các nguyên lý cơ bản và ứng dụng của máy khắc laser trong công nghiệp cơ khí. - Thiết kế và chế tạo một máy khắc laser đơn giản, tiết kiệm chi phí và hiệu quả cao.
- Thử nghiệm và đánh giá kết quả khắc laser trên các vật liệu khác nhau như kim loại, nhựa, gỗ, thủy tinh. - Đề xuất các giải pháp cải tiến và phát triển máy khắc laser trong tương lai. Phạm vi đối tượng nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo và điều khiển máy khắc laser sử dụng Mạch điều khiển GRBL 32 Bit và phần mềm laser GRBL. Nghiên cứu các thông số kỹ thuật, nguyên lý hoạt động và ứng dụng của máy khắc laser trong các lĩnh vực công nghiệp và nghệ thuật.
Đối tượng nghiên cứu: Máy khắc laser là một thiết bị sử dụng tia laser để khắc hình ảnh hoặc chữ lên các vật liệu như gỗ, kim loại, nhựa, da, thủy tinh, giấy. Máy khắc laser có thể được sử dụng để tạo ra các sản phẩm có giá trị thẩm mỹ cao, như tranh, biển hiệu, quà lưu niệm, trang sức. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp tính ngược: Trong thiết kế các chi tiết máy, để giảm bớt thời gian tính toán, thiết kế và chế tạo. Nhóm đã nghiên cứu và lựa chọn các sản phẩm đã có bán sẵn trên thị trường sao cho phù hợp với ý định thiết kế, sau đó lấy các thông số của các chi tiết đó để tính toán cho các chi tiết khác.
- Phương pháp mô hình hóa: Từ các ý tưởng, tài liệu nghiên cứu ban đầu, thực hiện mô hình hóa các ý tưởng trên phần mềm 2D, 3D. Từ đó chọn ra được phương pháp phù hợp nhất, sau đó nghiên cứu, điều chỉnh thêm các chi tiết, bộ phận khác nhằm tối ưu nhất cho máy. 1 SVTH: Minh Thắng- Ngọc Viễn GVHD: TH. S Ngô Tấn Thống Đề tài: Nghiên cứu, tính toán, thiết kế hệ thống máy khắc laser mini - Phương pháp phân tích, tổng hợp: Tổng hợp tất cả những ý kiến, ý tưởng mà nhóm thu thập được từ các phương pháp nghiên cứu trên.
Từ đó phân tích các ý tưởng, ý kiến để chọn ra phương án phù hợp và tối ưu nhất so với mục tiêu ban đầu mà nhóm đề ra, loại bỏ đi các yếu tố dư thừa. Phương áp cuối sau khi lựa chọn và lược bỏ sẽ được triển khai theo kế hoạch. - Phương pháp thực nghiệm: Khi máy đã hoàn thành sơ bộ. Thực nghiệm trực tiếp trên máy.
Nhằm đưa ra những số liệu chuẩn xác nhất. Quan sát và chỉnh sửa những điều bất cập nhằm hoàn thiện sản phẩm trước khi nộp đề tài. 2 SVTH: Minh Thắng- Ngọc Viễn GVHD: TH. S Ngô Tấn Thống Đề tài: Nghiên cứu, tính toán, thiết kế hệ thống máy khắc laser mini Chương 2.
TỔNG QUAN VỀ MÁY KHẮC LASER Tìm hiểu về laser 2.1 Laser là gì? Laser là viết tắt của “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” (khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích). Laser là một thiết bị tạo ra ánh sáng định hướng cao. Nó phát ra ánh sáng thông qua một quá trình gọi là phát xạ kích thích làm tăng cường độ ánh sáng. Nó là một loại sóng điện từ nằm trong dãy ánh sáng có thể nhìn thấy được.
Laser mang đặc tính đặc biệt và được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như trong y học, công nghệ sản xuất, khoa học vật liệu và nhiều lĩnh vực khác.2 Nguyên lý phát sinh tia laser Tia laser là một loại ánh sáng đặc biệt có bước sóng rất nhỏ và đồng nhất, có thể tập trung năng lượng cao vào một điểm nhỏ. Để tạo ra tia laser, ta cần có một nguồn phát quang (phổ thường là một chất bán dẫn) và hai gương phản xạ đối diện nhau. Khi nguồn phát quang được kích thích bởi một nguồn năng lượng bên ngoài (như điện, nhiệt, ánh sáng.) các nguyên tử trong nguồn phát quang sẽ chuyển từ trạng thái năng lượng thấp lên trạng thái năng lượng cao. Sau đó, các nguyên tử sẽ quay về trạng thái năng lượng thấp và phát ra ánh sáng có bước sóng nhất định.
Ánh sáng này sẽ bị phản xạ qua lại giữa hai gương và được khuếch đại dần dần. Khi ánh sáng đạt đến một cường độ nhất định, một trong hai gương sẽ cho phép một phần ánh sáng thoát ra và tạo thành tia laser.3 Đặc điểm của tia laser Các đặc điểm của tia laser: - Sự gắn kết: chúng ta biết rằng ánh sáng khả kiến được phát ra khi các electron bị kích thích (các electron ở mức năng lượng cao hơn) nhảy xuống mức năng lượng thấp hơn (trạng thái mặt đất). Do đó, ánh sáng được tạo ra bởi laser rất kết hợp. Vì sự gắn kết này, một lượng lớn năng lượng có thể được tập trung trong một không gian hẹp - Độ định hướng cao: tia laser phát ra hầu như là chùm song song, do đó có khả năng chiếu xa hàng nghìn km mà không bị phân tán.
- Cường độ cao: trong laser, ánh sáng lan truyền trong vùng không gian nhỏ và trong một phạm vi bước sóng nhỏ. Do đó, ánh sáng laser có cường độ lớn hơn khi so với ánh sáng thông thường. - Độ đơn sắc rất cao: tia laser chỉ có một màu (hay một bước sóng) duy nhất, do đó có cường độ lớn và tần số ổn định. 3 SVTH: Minh Thắng- Ngọc Viễn GVHD: TH.
S Ngô Tấn Thống Đề tài: Nghiên cứu, tính toán, thiết kế hệ thống máy khắc laser mini - Độ phối hợp rất cao: tia laser có các sóng ánh sáng cùng pha với nhau, do đó có tính gắn kết và tương tác mạnh với vật chất.4 Phân loại tia laser Tia laser là một loại ánh sáng có đặc tính đặc biệt, được tạo ra bằng cách khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích. Tùy thuộc vào môi trường hoạt chất, tia laser có thể được phân loại thành các loại sau: - Laser rắn: là loại laser dùng các chất rắn như hồng ngọc, thủy tinh thế hay vật liệu thủy tinh để làm môi trường hoạt chất. Laser rắn có tính ứng dụng cao và được sử dụng phổ biến hiện nay.Laser rắn - Laser khí: là loại laser dùng các hỗn hợp khí như heli-neon, carbon dioxide hay nitơ để làm môi trường hoạt chất. Laser khí có thể tạo ra tia laser có bước sóng dài và cường độ cao, thích hợp cho việc cắt, hàn hay đo lường.
Laser khí 4 SVTH: Minh Thắng- Ngọc Viễn GVHD: TH. S Ngô Tấn Thống Đề tài: Nghiên cứu, tính toán, thiết kế hệ thống máy khắc laser mini - Laser chất lỏng: là loại laser dùng các dung dịch hữu cơ hay nước để làm môi trường hoạt chất. Laser chất lỏng có thể tạo ra tia laser có bước sóng ngắn và biến thiên được, thích hợp cho việc nghiên cứu quang học hay y sinh. Laser lỏng - Laser bán dẫn: là loại laser dùng các linh kiện bán dẫn như điốt laser để làm môi trường hoạt chất.
Laser bán dẫn có kích thước nhỏ gọn và tiết kiệm năng lượng, giá thành rẻ. Laser bán dẫn đóng một vai trò quan trọng trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta thích hợp cho việc truyền thông cáp quang hay lưu trữ dữ liệu Hình 1. Laser bán dẫn 5 SVTH: Minh Thắng- Ngọc Viễn GVHD: TH. S Ngô Tấn Thống Đề tài: Nghiên cứu, tính toán, thiết kế hệ thống máy khắc laser mini 2.5 Ứng dụng của tia laser Laser là một thiết bị quang học tạo ra chùm ánh sáng đơn sắc cường độ cao bằng cách phát ra bức xạ kích thích.
Ánh sáng laser khác với ánh sáng thông thường. Nó có các thuộc tính độc đáo khác nhau như sự kết hợp, đơn sắc, định hướng và cường độ cao. Do những đặc tính độc đáo này, laser được sử dụng trong các ứng dụng khác nhau. Các ứng dụng tia laser: - Laser trong y học - Laser trong thông tin liên lạc - Laser trong các ngành công nghiệp - Laser trong quân đội - Laser có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khoa học và công nghệ, như công nghệ hoá học, vật liệu bán dẫn, chế tạo vật liệu kim loại, gia công vật liệu, năng lượng, topography và y tế.
- Laser có thể được sử dụng để cắt, khoan, hàn, khắc, đo lường, truyền thông và điều trị các bệnh lý. - Laser có thể phát ra ánh sáng ở các bước sóng khác nhau, từ cực tím đến hồng ngoại, tùy thuộc vào loại vật liệu kích thích và cơ chế phát xạ kích thích. - Laser được phát minh vào năm 1960 dựa trên nguyên lý của maser, một thiết bị phát ra tia vi sóng. Công nghệ khắc laser Máy khắc laser là loại máy sử dụng các chùm tia laser hội tụ tại một điểm trên bề mặt vật liệu làm gia tăng năng lượng đốt cháy điểm cần tác động.
Từ đó sinh ra nhiệt, với các bước sóng khác nhau để khắc trên các bề mặt kim loại hay phi kim như: Gỗ, đồng, nhôm, sắt, inox, da. Hiện nay các loại máy khắc laser thường được kết nối trực tiếp và chịu sự điều khiển của hệ thống máy tính. Các phần mềm máy tính chuyên dụng sẽ điều khiển hệ thống máy khắc giúp máy khắc làm việc theo lập trình được thiết lập sẵn. Từ đó để khắc hình ảnh, khắc họa tiết, khắc hoa văn theo mọi yêu cầu của khách hàng.
Các file khắc đều được thiết kế trên các phần mềm đồ họa như: corel, Photoshop, autocad. Công nghệ khắc laser hiện nay được ứng dụng trong các lĩnh vực gia công như: quà tặng, sản xuất nhãn mác, khắc mã vạch. Và nó được dùng để khắc laser trên các chất liệu như: gỗ, nhựa, mica, da, thủy tinh… 6 SVTH: Minh Thắng- Ngọc Viễn GVHD: TH. S Ngô Tấn Thống Đề tài: Nghiên cứu, tính toán, thiết kế hệ thống máy khắc laser mini Hình 1.
Sử dụng công nghệ khắc laser trên vật liệu kim loại Ưu điểm của công nghệ khắc laser Độ chính xác cao: với những chi tiết nhỏ, khó gia công hay khắc hoa văn phức thì công nghệ khắc laser vẫn được đảm bảo chính độ chính xác. Bởi máy laser thường hoạt động trên một phần mềm điều khiển, đã được lập trình sẵn sẽ tránh được những sai sót không đáng có.