Dùng laser để gia công các vật liệu thủy tinh hữu cơ rất dễ dàng. Tia laser được sử dụng không cần có công suất lớn. Thủy tinh hữu cơ bay hơi thành dạng hỗn hợp khí dưới tác dụng của tia laser, do đó những vết khắc hoặc cắt rất sạch và đẹp. Đây chính là điểm nổi bật hơn cả của thủy tinh hữu cơ so với các vật liệu PE hay PC.
4.2.1. Giới thiệu về thủy tinh hữu cơ PMMA
PMMA (poly methyl methacrylate) có công thức phân tử (C5O2H8)n. PMMA là chất dẻo đi từ dẫn xuất của axit meta acrylic.
Công thức phân tử của PMMA
PMMA hóa dẻo ở khoảng 240oC, cháy ở nhiệt độ cỡ 460oC, khối lượng riêng 1,19g/cm3.
PMMA hoà tan tốt trong các este, xeton,cacbua hidro thơm hoặc cacbua hidro được clorua hoá. Tính hoà tan của meta acrilat chủ yếu là do các nhóm phụ quyết định. Chúng không tan trong rượu có phân tử lượng thấp và trong cacbua hidro béo, song các chất này có thể dùng để làm loãng các dung dịch trên với một liều lượng nhất định nào đó.
PMMA là polymer có mạch cacbon chứa este ở mạch nhánh,vì vậy ở nhiệt độ bình thường nó bền vững với nhiều chất trong đó có cả axit loãng, kiềm loãng. không tác dụng với nước, rượu, dầu khoáng và dầu thực vật.
Tính chất quan trọng nhất của PMMA là trong suốt, không màu, đồng thời bền vững trước tác dụng của thời tiết và khí hậu. Nếu tạo màu cho polymer này thì độ sáng
của màu cũng sẽ giữ được trong thời gian dài. PMMA cho truyền qua 98% ánh sáng nhìn thấy, hấp thụ mạnh ánh sáng hồng ngoại trên 3µm và ánh sáng tử ngoại dưới 0,3µm. Thậm chí các tấm thuỷ tinh hữu cơ có đô dày lớn độ thấu sáng vẫn tốt. Tuy nhiên, nếu chiều dày 6,3m thì độ trong suốt cũng giảm đi 50%. Vì vậy thường ứng dụng PMMA để sản xuất các dụng cụ quang học. Song tinh thể hữu cơ có một nhược điểm so với kính vô cơ là dễ bị xước bề mặt do độ cứng cao. Để thu được vật liệu chỉ có số khúc xạ từ 1,59 - 1,69 phù hợp cho việc tạo ra thấu kính, người ta đồng trùng hợp methyl methacrylate với styrel
Thủy tinh hữu cơ thường được sử dụng làm chất thay thế (không vỡ và nhẹ) cho thủy tinh , ví dụ làm vỏ hộp đèn ở xe cộ hoặc kính bảo hộ, kính chắn gió máy bay, cửa sổ trần nhà. Trong y tế và công nghệ cấy ghép, PMMA dùng để cấy ghép xương (chủ yếu lấp đầy không gian giữa các chi giả,và ngăn ngừa xương chuyển động), làm kính áp tròng, răng giả, phẫu thuật thẫm mỹ (làm giảm nếp nhăn hay vết sẹo vĩnh viễn).
4.2.2. Giới thiệu công nghệ gia công vật liệu PMMA bằng laser CO2
Hai tham số cần quan tâm khi dùng laser để gia công vật liệu là bước sóng phát của laser và công suất laser. Lựa chọn bước sóng thích hợp với từng kích thước, đặc điểm quang học (tính hấp thụ và phản xạ) của từng loại vật liệu khác nhau. Cường độ laser có ảnh hưởng đến cấu trúc và tỉ lệ cắt bỏ, cần lựa chọn cường độ phù hợp với cấu trúc cần thiết kế, chế tạo.
Hầu hết các nguyên tố ở dạng khí đều có khả năng phát laser. Hầu hết laser khí đều sử dụng khí ở áp suất thấp (để có thể tạo ra sự phóng điện ở một khoảng cách xa giữa các điện cực và để tránh sự mở rộng vạch phổ do va chạm). Ở các trường hợp đặc biệt người ta cũng sử dụng laser khí ở áp suất cao.
Hai kĩ thuật bơm chính thường được sử dụng đế kích thích các laser khí là phóng điện và bơm quang học.
Đầu phát laser là bộ phận quan trọng nhất của hệ thống. Đây là nơi tạo ra nguồn năng lượng tập trung để tương tác với vật liệu. Đầu phát gồm buồng cộng hưởng, hoạt chất, nguồn nuôi và hệ quang học dẫn/hội tụ tia laser.
Hình 4.4. Sơ đồ khối của hệ laser CO2
Laser CO2 lần đầu tiên do
C.K.Patel người Mỹ chế tạo, hoạt động dựa trên các trạng thái dao động kích thích của phân tử CO2. Các laser CO2
thường có hiệu suất và công suất tương đối cao. Hiệu suất của laser CO2 có thể đạt từ 5- 20%, cao nhất trong tất cả các loại laser khí, chỉ kém hơn laser bán dẫn. Công suất của các laser CO2 công nghiệp thì có
thể đạt tới 10kW, các loại sử dụng thông thường là khoảng dưới 1kW.
Hệ laser dùng để chế tạo kênh dẫn trong khóa luận này đã được xây dựng tại Trung tâm Công nghệ Laser, Viện Ứng dụng Khoa học Công nghệ, C6 Thanh Xuân Bắc, Hà Nội. Sơ đồ khối của hệ như hình 4.4.
Laser CO2 sử dụng là loại khí đóng kín, kích thích bằng dòng điện một chiều, công
suất ra tối đa
60W. Laser được làm lạnh bằng hệ thống nước luân chuyển ở nhiệt độ phòng. Nguồn cao áp để sử dụng cho laser có điện áp ra một chiều tối đa 25 kV, dòng tối đa
30 mA. Điện áp ra được đặt bằng
tín hiệu tương tự biên độ tối đa 5V. Nguồn cho phép điều biến bằng tín hiệu TTL bên ngoài. Công suất phát của ống laser được căn chỉnh nhờ đầu đo công suất Ge.
Hình 4.. Ống laser công suất lớn sử dụng trong hệ thống gia công vật liệu