کاربرد لیزر در ساخت جواهرات

MarkazeDarsDefault.jpg

لیزر واژه‌ای اختصاری برگرفته از “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” که به معنی افزایش نور و روشنایی از طریق پرتوافکنی به شیوه انگیزشی می‌باشد.

۱- مقدمه:

لیزر واژه‌ای اختصاری برگرفته از “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” که به معنی افزایش نور و روشنایی از طریق پرتوافکنی به شیوه انگیزشی می‌باشد. یعنی قادر به ایجاد اشعه نور تقویت شده‌ای است که این اشعه خود به وسیله واکنش میان یک فوتون با اتم‌های فعال ایجاد شده است. فوتون مذکور محرک انتشار فوتون‌های دیگر با خاصیت تاثیر انبوه می‌شود؛ بنابراین تغییر به منبع انرژی خارجی مناسب نیازمند است که این مکانیزم تامین انرژی، “پمپ نوری” نامیده می‌شود.

۱-۱ ویژگی‌های اصلی اشعه لیزر

همرنگی 

منبع لیزر حاوی یک طیف باریک خروجی است که بر روی مسیر صدور متمرکز شده است و طول موج nm1064(NAG = Yttrium Aluminum Garnet) می‌باشد. 

تمرکز 

مسیر انتشار اشعه لیزر به‌طورمستقیم است که به وسیله لنزهای متمرکز کننده می‌توان آن را به راحتی در یک نقطه متمرکز کرد. در قسمت زیر به کاربرد منابع لیزر در ساخت جواهرات به صورت اجمالی اشاره می‌شود: 
Nd●: لیزر YAG حاوی فیبر نوری و کلاهک متمرکزکننده نور(تصویر ۱) بوده و متوسط بازده انرژی آن ۷۰ وات است که اغلب در دستگاه‌های اتوماتیک ساخت زنجیر کاربرد دارد.
● اشعه مستقیم Nd: لیزر YAG حاوی کلاهک متمرکزکننده(تصویر ۲) با بازده متوسط نیرو ۵۰ وات می‌باشد که اغلب برای دستگاه‌های جوش دستی جهت ساخت جواهرات حاوی سنگ، مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این قسمت برای تعیین محل و مشخص کردن هدف، از میکروسکوپ استفاده می‌شود.
●Nd: تصویر ۳ (b و a)YAG CWQ – Switched DPSS tem  بازده متوسط نیرو ۴۰ وات است. کاربرد اصلی آن در اموری همچون علامت گذاری، تزیین، تراش‌های ظریف و ایجاد سوراخ می‌باشد.

●Pulsed Nd: لیزر YAG، پمپ لامپ، تصویر ۴ (b و a). بازده متوسط انرژی یا نیرو ۸۰ وات است و در اموری مانند علامت‌گذاری و حکاکی عمیق کاربرد دارد. هم‌اکنون منابع جدید لیزری Diode پمپ با بازده‌ای متعادل ۱۰۰ وات در دسترس است.

۱- ۲:Pulsed Nd  لیزر YAG

تاریخچه و کاربرد

جوشکاری اتوماتیک، بدون فلز مغزی یا پراکنده، نوعی تکنولوژی لیزری است که به طور وسیعی کاربرد دارد و کاربرد آن در طلاسازی ۱۱ سال پیش آغاز شده است. اکنون بیش از ۳۰۰۰ دستگاه جوش لیزری در سراسر جهان استفاده می‌شود. (تصویر ۵). در صورت صرفنظر از شمش‌های طلا و طلایی مورد استفاده در صنایع پزشکی، بیش از ۲۲ درصد از تولید طلای جهان توسط ایتالیا تغییر شکل می‌یابد. بنابراین این کشور در زمینه تولید جواهرات در دنیا از جایگاه ویژه‌ای برخوردار است و کاربرد لیزر در آن به‌طورگسترده‌ای متداول می‌باشد. تکنیک‌های لیزری، قابل اعتماد و اطمینان بوده و نتایج مثبتی داشته‌اند و می‌توان از آن‌ها در حوزه‌های مختلف مانند: جوشکاری، علامت گذاری، تراش و غیره استفاده کرد که در زیر به صورت مختصر به آن می پردازیم:

جوشکاری

● جوشکاری حلقه‌های زنجیر توسط دستگاه‌های اتوماتیک ساخت زنجیر (تصویر ۶- b و a).
● جوشکاری دستی برای ساخت جواهرات صنعتی و مزین به سنگ‌های قیمتی و گران‌قیمت (تصویر ۷).
● تعمیر نواقص ناشی از قالب‌گیری یا ریخته‌گری (پرسازی حفره‌ها) به کمک یا بدون کمک فلز مغزی.
● فلز مغزی اغلب ترکیبی همانند فلز اصلی یا مادر دارد.

۱-۲- مزایای جوشکاری لیزری بر لحیم‌کاری

● عدم تغییر در عیار
در بیشتر مواقع، فلز مغزی کاربردی نداشته و جوشکاری در برخی نواحی جهت اتصال صورت می‌گیرد.
● عدم آلوده سازی محیط زیست
از لحیم یا پودر “فلاکس Flux” استفاده نمی‌شود؛ همچنین مواد شیمیایی یا محلول‌های آن در پاکسازی اقلام جوشکاری کاربردی ندارد و در نتیجه پس از انجام کار ضایعاتی نیز باقی نمی‌ماند.
● تسهیل مراحل تولید و ساخت
ترکیب دستگاه‌های جوشکاری لیزری و زنجیرسازی در امر تولید جواهرات به کارآیی روند فعالیت کمک موثری می‌کند، از این‌رو صادرات دستگاه‌های سازنده زنجیر در کشورهایی که نیروی انسانی ماهری ندارد باید افزایش یابد. در اینجا تولید زنجیر “باکس Box” یا زنجیرهای مرکب از ۲ نوع فلز توصیه می‌شود.
● کاهش مراحل تولید
این اقدام، منابع مالی را به همراه دارد و بر سرعت عمل و تغییر شکل سریع فلزات گران‌بها در کارخانه می‌افزاید.
● بهبود کیفی و زیباسازی زنجیرهایی که از آلیاژهایی به رنگ‌های متفاوت ساخته شده‌اند.
جوشکاری اتوماتیک و لیزری، امکان اتصال انواع فلزات را به یکدیگر در رنگ‌ها و با عیارهای متفاوت میسر می‌سازد. زنجیرهای چند رنگی که توسط لیزر متصل شده‌اند به راحتی قابل تشخیص هستند زیرا مرز بین رنگ‌های متفاوت مشخص است (تصویر ۸) در حالی‌که در لحیم‌کاری توسط کوره به علت حرارت این تفاوت چندان بارز نمی‌باشد.
● جوشکاری به روش جوش قطعات به یکدیگر
جوشکاری لیزری در این نوع روش لحیم‌کاری نیز کاربرد دارد.
● گسترش فرایندهای تولید جدید
تکنولوژی لیزری، زمینه مساعدی را برای عرضه محصولات جدید فراهم کرده، نمونه آن ساخت زنجیرهای طنابی مانند است که در ایتالیا، خاور دور و ایالات متحده متداول شد و تاریخ آن به عصر اتروسکان‌ها باز می‌گردد، با این تفاوت که تکنولوژی لیزر، تولید این مدل زنجیر را به طور اتوماتیک تسهیل می‌سازد. طبیعی است که ابداع محصولات جدید و معرفی تکنولوژی‌های تولیدی نوین عامل موثری در امر افزایش فروش و در نتیجه میزان سود در بازارهای جدید و حتی قدیمی خواهد بود.

۲-۲ کاربردهای اخیر

زنجیر آویز 

این نوع زنجیرها تولید جدید از شرکت‌های به کار برنده لیزر YAG :Nd به شمار می‌آیند و در آمریکا نیز شهرت یافته‌اند. نمونه‌ آن گردن‌بندهای بلند ۴۰ سانتی‌متری است که قطر سیم یا بند آن ۱۱ میلی‌متر و وزنشان ۱ گرم می‌باشد (همراه با گیره). طراحی ابعادی تصویر ۹  طرح، میزان کوچکی اتصالات را نشان می دهد. انتقال زنجیرهای مذکور از دستگاه ساخت زنجیر به کوره لحیم‌کاری، حتی توسط طلاسازان ماهر حدود ۳۰ درصد مرجوعی دارد، ولی جوشکاری حلقه‌های زنجیر به وسیله دستگاه زنجیرسازی این میزان را به صفر تقلیل می‌دهد. به‌طور معمول سیم لحیم‌کاری شده در پروسه تولید زنجیرهای آویز کاربرد دارد. از طریق جوشکاری لیزری به جای این قبیل سیم‌ها با آلیاژهایی که تحت حرارت بسیار ذوب شده‌اند و امکان تولید زنجیرهای محکم‌تر را میسر می‌سازند، قرار می‌گیرند و این امر از برکت افزودن اندکی از آلیاژ تیتانیوم قابل اجرا است. فایده دیگر به‌کارگیری آلیاژ مذکور روشن‌تر کردن سیم است.

زنجیرهای چندگانه

زنجیرهای چندگانه (۳، ۴ و ۵ گانه) حاوی حلقه‌های درشت چکش‌کاری شده هستند که به صورت حلقه به حلقه توسط لیزر در نقطه مشخص به یکدیگر جوش داده می‌شوند. بنابراین زمانی که لحیم‌کاری می‌شوند از باز شدن محل اتصال تحت تاثیر حرارت جلوگیری به عمل می‌آید. این شرایط بیانگر ترکیب تکنولوژی لیزری و روش‌های سنتی یا لحیم‌کاری توسط کوره است که در نهایت منجر به افزایش سرعت عمل و کاهش دفعات رجوع محصول می‌گردد. در برخی از کارخانه‌های جواهرسازی، حلقه‌های زنجیر به وسیله اشعه لیزر توسط دستگاه زنجیرسازی به یکدیگر جوش داده می‌شوند و این به آن معناست که جوشکاری آن‌ها تنها در محل مشخص صورت نمی‌گیرد. در واقع زنجیر جوش داده شده باید در کوره بدون کاربرد پودر لحیم حرارت یابد تا سرد شود و گرم‌سازی(تبدیل مجدد به کریستال) فلز امکان‌پذیر گردد و در نتیجه استحکام زنجیر تضمین شود.

۲-۳ پیشرفت‌های جدید

۱) زنجیر باکس 

حلقه‌های زنجیر باکس در قسمت زیرین و به سمت داخل قرار می‌گیرند. بر اساس پروسه جدید حلقه‌ها وارونه کار گذاشته می‌شوند تا جوشکاری به کمک لیزر قبل از خم کردن آن‌ها و یا بستن حلقه بعدی امکان‌پذیر گردد(تصویر ۱۰). تاکنون تکنولوژی تولید زنجیر مزبور تنها در چند کارخانه به اجرا درآمده است، حال به کمک لیزر و با رواج ساخت زنجیرهای کوچک‌تر، شرایط برای ساخت زنجیر مزبور میسر شده است.

۲) زنجیر جفت یا بیس مارک 

انواع زنجیرهای سنتی از طریق جوشکاری و به کمک منابع لیزری YAG:Nd قابل ترکیب با یکدیگر هستند. برای تضمین ارائه محصول با کیفیتی مطلوب، سیستم مناسب لیزری حاوی ۱ یا ۲ کلاهک متمرکزکننده اشعه (تصویر ۱۱) معرفی شده است. پیشرفت اخیر سیستم‌های نوری حاوی عدسی‌های چندگانه متمرکزکننده جوشکاری کامل زنجیرهای جفت را طی یک مرحله امکان‌پذیر می‌سازد بدون آن‌که نیازی به چرخش زنجیر برای جوشکاری مرحله دوم باشد. کاربرد لیزر با سیستم نوری فوق امکان دستیابی به زنجیرهای جوشکاری شده‌‌ای را فراهم می‌آورد که به زنجیرهای لحیم‌کاری شده و سنتی با مشعل شباهت دارند. (تصویر ۱۲- b و a).
در تکنولوژی زنجیر “بال Ball” شاهد گرایش به سوی اندازه‌های کوچک‌تر این نوع زنجیر هستیم. هم‌اکنون شرکت‌های پیشرو توانسته‌اند زنجیرهای حاوی گوی‌های ۸/ ۰ میلی‌متر را نیز به بازار عرضه کنند.
در دوران اخیر محصولات جدیدی از زنجیرهای گوی مانند در قالب چند ردیف ارائه گردیده‌اند، نمونه آن زنجیرهای لوله مانندی است که از چند جفت گوی تشکیل شده‌اند و طرحی بسیار زیبا را به نمایش می‌گذارند (تصویر ۱۳- b و a).
به علاوه توالی عملیات جوشکاری و تراش، این امکان را به لیزر می‌دهد تا به‌طوراتوماتیک و به موقع، پنچره‌هایی را در اشکال و اندازه‌های متفاوت در بین زنجیرهای حاوی گوی ایجاد کند و جلوه‌ای چشمگیر به آن ببخشد. به کمک دستگاه ترکیب‌کننده یا ارتباط‌دهنده به نتیجه‌ی موثرتری نیز دست می‌یابیم به این معنا که اگر از لیزر استفاده کنیم آن هم زمانی‌که زنجیر روی غلتک خم شده است، اشعه لیزر را می‌توان بر روی بخش داخلی که تا حدودی غیر قابل رویت است، متمرکز ساخت. هم اکنون دستگاه‌های مزبور می‌توانند به کمک لیزر سبب اتصال قسمت‌های مورد نظر با نرخی بیش از ۷۰۰ نقطه یا جفت شوند.

۳- علامت ‌گذاری، کنده‌ کاری، تراش و سوراخ ‌کاری

منابع لیزرYAG CWQ – Switched DPSS tem Nd: از نوع “گاسین Gaussian” با بازده متوسط نیرویی معادل ۴۰ وات برای علامت‌گذاری به عمق چند صد میلی‌متر (Mils 0/39=mm0/01) قابل استفاده‌اند. علائم مورد نظر با سرعتی فوق‌العاده و تنها در یک مرحله بر روی ناحیه تعیین شده نقش خواهد بست. حکاکی نیز تا عمق   میلی‌متر  بر روی سطوح صاف و منحنی میسر است. سیستم لیزری خاصی برای چنین اقدامی به کمک منبع لیزری YAG CWQ – Switched  Nd: حاوی کلاهک اسکن XY که در آن آینه‌های “گالوو Galvo” به کمک نرم‌افزار حکاکی و کنده‌کاری حرکت می‌کنند در نظر گرفته می‌شوند(تصویر ۱۴).
حکاکی و تراش، بخشی از تکنولوژی علامت‌گذاری محسوب می‌شوند که عملکرد آن به بازده نیرو و خصوصیات نوری منبع لیزر بستگی دارد. حفاری صفحه نیز تابع عملیات تراش در فواصل بسیار کوتاه است که ممکن است به   میلی‌متر برسد و از این جهت شباهت بسیاری به تکنولوژی تراش دارد.

۱-۳ علامت‌گذاری و تزیین

به کمک لیزر می‌توان سطح گوشواره‌، النگو و گردن‌بندها را علاوه بر تزیین، درخشان و شفاف کرد. از تکنیک مذکور در ایجاد سایه روشن جهت زینت بخشیدن به مدال‌ها استفاده می‌شود(تصویر ۱۵). زیبایی سطوح فلزات گران‌بها و چند رنگی که از طریق روش الکتروفرم روکش شده‌اند، بیش از حد تصور است. برخی قسمت‌های خاص از درخشش و شفافیت کمتری برخوردارند و این امر توسط نرم‌افزارها برای بیشتر جلوه دادن تفاوت سنگ‌ها صورت گرفته است(تصاویر ۱۶ و ۱۷).

۲-۳ قلم زنی یا گراوورسازی 

در برخی موارد، منبع لیزر Q – Switched Nd: YAGCW  که به شیوه Tem  به کار گرفته می‌شود در شرایطی که تمرکز به خوبی صورت می‌گیرد قطر محلی که پرتو لیزر بر آن می‌تابد را به ۳۰ سانتی‌متر می‌رساند. بنابراین عملیات گراوورسازی بر روی قطعات بسیار کوچک امکان‌پذیر می‌شود(تصویر ۱۸). حک علائم و نشانه‌ها نیز بر روی قسمت‌های کوچک تا ۱ میلی‌متر مسیر خواهد بود. به این طریق امکان شخصی نمودن جواهرات فراهم می‌شود، همچنین با علامت‌گذاری مجموعه‌های خاص از محصولات می‌توان از هرگونه تقلب و جعل‌سازی جلوگیری به عمل آورد. در برخی کشورها با کسب مجوزهای قانونی کاربرد تکنیک گراوورسازی به کمک لیزر به جای استفاده از دستگاه‌های قدیمی پانچ یا علامت‌گذاری مجاز می‌باشد ولی از طریق روش گراوورسازی علامت‌گذاری عمیق در قسمت داخلی انگشتر و غیره به سهولت انجام می‌گیرد.

۳-۳ تراش

تراش، بخشی از تکنولوژی گراوورسازی به شمار می‌آید به خصوص هنگامی‌که عمق حکاکی بیش از ضخامت قطعه می‌باشد. یکی از کاربردهای قدیمی اشعه لیزر YAG تراش ورقه‌های نازک طلا است که ضخامت آن‌ها به چند صدم میلی‌متر می‌رسد (Mils 0/39=mm0/01) و برای سهولت استفاده از آن‌ها مجموعه‌ای حاوی ۱۰ ورقه روی یکدیگر قرار می‌گیرند. از این ورقه‌ها بیشتر برای روکش‌ کردن قالب‌ها و مجسمه‌های طلایی بهره می‌برند. تراش با چند بار عبور اشعه لیزر با توجه به ضخامت فلز قیمتی انجام می‌گیرد که می‌تواند هر بار ۱ میلی‌متر را تحت پوشش خود قرار دهد. هم‌اکنون به منظور تعیین مالکیت و شخصی کردن جواهر مورد نظر (تصویر ۱۹) تراش در قسمت Box زنجیرهای Curb صورت می‌گیرد. ما نیز موفق به تراش ورقه‌های طلا و نقره با ضخامت ۳/ ۰ میلی‌متر به کمک سیستم‌های علامت‌گذاری شده‌ایم که در آن از کلاهک‌های اسکن XY استفاده شده است(تصویر ۲۰). با به‌کارگیری منابع قوی‌تر لیزری و متمرکز نمودن مستقیم و تزریق اکسیژن به محل مجاور نقطه تراش، توانسته‌ایم ورقه آلیاژ نقره را به ضخامت mm0/6-0/5  تراش دهیم.