Petrozavodsk, Petrozavodsk, Russian Federation
from 01.01.2005 to 01.01.2011
Petrozavodsk, Russian Federation
from 01.01.1970 until now
Petrozavodsk, Russian Federation
The experimental setup based on a carbon dioxide laser, developed and manufactured by the authors, is intended to study the processes and parameters of laser processing of wood related to identifying the most effective cutting modes for various wood species, determining the effect of density, hardness, texture and other distinctive features and properties of soft and hard wood species on the quality and energy consumption during laser processing. One of the key parameters of laser processing is the through-cut speed, which was determined for samples 40 mm wide and long and 4-8 mm thick with a thickness step of 1 mm for the following species: spruce, pine, birch, oak, maple, aspen. The speed values were found by calculating the ratio of the sample thickness to the average cutting time. In order to study the effect of laser radiation on the chemical composition of wood, the dynamics of the elemental composition of samples of various wood species was investigated depending on the received radiation dose from a carbon dioxide laser using a scanning electron microscope. Approximate energy consumption during laser cutting was estimated using a formula that included the parameters obtained during the experimental work: cutting length, hole diameter, laser power, laser efficiency, and through-cut time. The results of the study showed that the highest cutting speeds were observed for soft wood species with low density (spruce, pine, aspen), as opposed to hard wood species (birch, oak, maple). As the radiation dose increases for all the presented species, the percentage content of carbon and oxygen changes towards an increase in the former and a decrease in the latter. The highest energy consumption was recorded during maple processing (0.0009 kW*h). For soft wood species, significantly lower (approximately 2 times) energy consumption values were determined (0.0004-0.0005 kW*h). The conducted studies have shown that the corresponding adjustment of the cutting modes with a carbon dioxide laser can become a means of targeted change of the chemical composition of wood, energy consumption and the quality of its processing in accordance with modern technological requirements.
aser, carbon dioxide laser, wood, laser processing of wood, cutting modes
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. Seliverstov A.A., Simonova I. V., Talyh A.A. Ocenka kachestva elovyh i sosnovyh sortimentov dlya proizvodstva produkcii s povyshennoy dobavlennoy stoimost'yu. Resources and Technology. 2024; 1: 73-85. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=65312292.
2. Ivanovskiy V.P. Rezul'taty eksperimental'nyh issledovaniy processa razrezaniya drevesiny myagkih porod diskovymi nozhami. Lesotehnicheskiy zhurnal. 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. Lazernye tehnologii dlya vysokokachestvennoy rezki po derevu. Molodoy uchenyy. 2019; 50 (288). URL: https://moluch.ru/archive/288/91560/
7. Sharapov E.S. Issledovanie fiziko-mehanicheskih svoystv i stroeniya drevesiny metodom lazernoy rezki. Derevoobrabatyvayuschaya promyshlennost'. 2019; 3:18-26.
8. Agafonov A.A., Habibullin A.R., Matosov G.D. Razrabotka tehnologii lazernogo gravirovaniya drevesiny s uchetom korrelyacionnoy zavisimosti. Fundamental'nye i prikladnye aspekty razvitiya sovremennoy nauki: sbornik nauchnyh statey po materialam XII Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferencii. 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. Talyh A.A. Nekotorye osobennosti otbora drevesiny dlya izgotovleniya narodnyh strunnyh schipkovyh muzykal'nyh instrumentov. Alleya nauki. 2024; 2(89): 8-81.
17. Talyh A.A., Gavrilova A.D., Shishigin D.A. O vybore zaschitno-dekorativnyh pokrytiy dlya otdelki korpusov i dek strunnyh muzykal'nyh instrumentov iz drevesiny. Tehnologiya organicheskih veschestv: materialy 88-y nauch.-tehn. konf. professorsko-prepodavatel'skogo sostava, nauchnyh sotrudnikov i aspirantov (s mezhdunarodnym uchastiem). 2024; 403-406. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=67330322.
18. Talyh A.A. Osobennosti konstruirovaniya izdeliy iz drevesiny suvenirnogo naznacheniya. Advances in Science and Technology: sbornik statey LVIII mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferencii. 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.
