Въвеждането на лазерното рязане

Лазерното рязане е технология, която използва лазер за изпаряване на материали, което води до изрязан ръб.Въпреки че обикновено се използва за промишлени производствени приложения, сега се използва от училища, малки предприятия, архитектура и любители.Лазерното рязане работи чрез насочване на изхода на високомощен лазер най-често през оптика.Лазерната оптика и CNC (компютърно цифрово управление) се използват за насочване на лазерния лъч към материала.Търговски лазер за рязане на материали използва система за контрол на движението, за да следва CNC или G-код на шаблона, който ще бъде изрязан върху материала.Фокусираният лазерен лъч се насочва към материала, който след това или се топи, изгаря, изпарява, или се издухва от струя газ [1], оставяйки ръб с висококачествено покритие на повърхността

История
През 1965 г. първата производствена машина за лазерно рязане е използвана за пробиване на отвори в диамантени матрици.Тази машина е направена от Western Electric Engineering Research Center.[3]През 1967 г. британците са пионери в лазерното рязане с кислородна струя за метали.[4]В началото на 70-те години на миналия век тази технология е пусната в производство за рязане на титан за космически приложения.В същото време CO2 лазерите бяха адаптирани за рязане на неметали, като текстил, тъй като по това време CO2 лазерите не бяха достатъчно мощни, за да преодолеят топлопроводимостта на металите.[5]

Процес

Индустриално лазерно рязане на стомана с инструкции за рязане, програмирани през CNC интерфейса
Лазерният лъч обикновено се фокусира с помощта на висококачествена леща върху работната зона.Качеството на лъча има пряко влияние върху размера на фокусираното петно.Най-тясната част на фокусирания лъч обикновено е с диаметър по-малък от 0,0125 инча (0,32 mm).В зависимост от дебелината на материала са възможни широчини на прореза до 0,004 инча (0,10 mm).[6]За да може да се започне рязане от някъде, различно от ръба, преди всяко рязане се прави пробиване.Пиърсингът обикновено включва високомощен импулсен лазерен лъч, който бавно прави дупка в материала, като отнема около 5–15 секунди за неръждаема стомана с дебелина 0,5 инча (13 mm), например.

Паралелните лъчи на кохерентна светлина от лазерния източник често попадат в диапазона между 0,06–0,08 инча (1,5–2,0 mm) в диаметър.Този лъч обикновено се фокусира и усилва от леща или огледало до много малко място от около 0,001 инча (0,025 mm), за да се създаде много интензивен лазерен лъч.За да се постигне възможно най-гладко покритие по време на контурно рязане, посоката на поляризацията на лъча трябва да се върти, докато обикаля периферията на контурния детайл.За рязане на ламарина фокусното разстояние обикновено е 1,5–3 инча (38–76 mm).[7]

Предимствата на лазерното рязане пред механичното рязане включват по-лесно захващане и намалено замърсяване на детайла (тъй като няма режещ ръб, който може да се замърси от материала или да замърси материала).Прецизността може да е по-добра, тъй като лазерният лъч не се износва по време на процеса.Също така има намален шанс за изкривяване на материала, който се реже, тъй като лазерните системи имат малка зона, засегната от топлина.[8]Някои материали също са много трудни или невъзможни за рязане с по-традиционни средства.

Лазерното рязане на метали има предимствата пред плазменото рязане, че е по-прецизно [9] и използва по-малко енергия при рязане на ламарина;повечето промишлени лазери обаче не могат да пробият метал с по-голяма дебелина, отколкото плазмата.По-новите лазерни машини, работещи с по-висока мощност (6000 вата, за разлика от 1500 вата на ранните машини за лазерно рязане) се доближават до плазмените машини по способността си да режат дебели материали, но капиталовите разходи за такива машини са много по-високи от тези на плазмата машини за рязане, способни да режат дебели материали като стоманена плоча.[10]

Видове

4000 ватов CO2 лазерен нож
Има три основни вида лазери, използвани при лазерно рязане.CO2 лазерът е подходящ за рязане, пробиване и гравиране.Неодимовият (Nd) и неодимовият итрий-алуминиев гранат (Nd:YAG) лазер са идентични по стил и се различават само по приложение.Nd се използва за пробиване и където се изисква висока енергия, но малко повторение.Nd:YAG лазерът се използва там, където е необходима много висока мощност и за пробиване и гравиране.Както CO2, така и Nd/Nd:YAG лазери могат да се използват за заваряване.[11]

CO2 лазерите обикновено се „изпомпват“ чрез пропускане на ток през газовата смес (DC-възбудено) или използване на радиочестотна енергия (RF-възбудено).RF методът е по-нов и стана по-популярен.Тъй като дизайните с постоянен ток изискват електроди вътре в кухината, те могат да се сблъскат с ерозия на електродите и покритие от електроден материал върху стъклария и оптика.Тъй като RF резонаторите имат външни електроди, те не са склонни към тези проблеми.CO2 лазерите се използват за промишлено рязане на много материали, включително титан, неръждаема стомана, мека стомана, алуминий, пластмаса, дърво, специално изработено дърво, восък, тъкани и хартия.YAG лазерите се използват предимно за рязане и драскане на метали и керамика.[12]

В допълнение към източника на захранване, типът газов поток също може да повлияе на производителността.Често срещаните варианти на CO2 лазери включват бърз аксиален поток, бавен аксиален поток, напречен поток и плоча.В резонатор с бърз аксиален поток сместа от въглероден диоксид, хелий и азот циркулира с висока скорост от турбина или вентилатор.Лазерите с напречен поток циркулират газовата смес с по-ниска скорост, което изисква по-прост вентилатор.Резонаторите с плоче или дифузионно охлаждане имат статично газово поле, което не изисква херметизиране или стъклария, което води до спестяване на резервни турбини и стъклария.

Лазерният генератор и външната оптика (включително фокусната леща) изискват охлаждане.В зависимост от размера и конфигурацията на системата, отпадъчната топлина може да бъде прехвърлена от охлаждаща течност или директно във въздуха.Водата е често използвана охлаждаща течност, обикновено циркулираща през охладител или система за пренос на топлина.

laser microjet е лазер с водна струя, при който импулсен лазерен лъч се свързва с водна струя с ниско налягане.Това се използва за извършване на функции за лазерно рязане, докато се използва водна струя за насочване на лазерния лъч, подобно на оптично влакно, чрез пълно вътрешно отражение.Предимствата на това са, че водата също премахва остатъците и охлажда материала.Допълнителни предимства пред традиционното „сухо“ лазерно рязане са високите скорости на рязане, паралелно рязане и многопосочно рязане.[13]

Влакнестите лазери са тип твърдотелен лазер, който бързо се разраства в индустрията за рязане на метали.За разлика от CO2, Fiber технологията използва твърда среда за усилване, за разлика от газ или течност.„Зародишният лазер“ произвежда лазерния лъч и след това се усилва в стъклено влакно.С дължина на вълната от само 1064 нанометра влакнестите лазери произвеждат изключително малък размер на петна (до 100 пъти по-малък в сравнение с CO2), което го прави идеален за рязане на отразяващ метален материал.Това е едно от основните предимства на Fiber в сравнение с CO2.[14]

Предимствата на фибро лазерния нож включват: -

Бързо време за обработка.
Намалено потребление на енергия и сметки – поради по-голяма ефективност.
По-голяма надеждност и производителност – без оптика за регулиране или подравняване и без лампи за смяна.
Минимална поддръжка.
Възможност за обработка на силно отразяващи материали като мед и месинг
По-висока производителност – по-ниските оперативни разходи предлагат по-голяма възвращаемост на вашата инвестиция.[15]

Методи
Има много различни методи за рязане с помощта на лазери, с различни видове, използвани за рязане на различни материали.Някои от методите са изпаряване, разтопяване и издухване, издухване с разтопяване и изгаряне, крекинг от термичен стрес, скрабиране, студено рязане и стабилизирано лазерно рязане с горене.

Вапоризационно рязане
При рязане чрез изпаряване фокусираният лъч нагрява повърхността на материала до точка на възпламеняване и генерира ключалка.Ключовата дупка води до внезапно увеличаване на абсорбцията, бързо задълбочавайки дупката.Тъй като дупката се задълбочава и материалът кипи, генерираната пара разяжда разтопените стени, издухвайки се навън и допълнително разширявайки дупката.Нетопими материали като дърво, въглерод и термореактивни пластмаси обикновено се режат по този метод.
Разтопете и издухайте
Разтопяването и издухването или рязане чрез стопяване използва газ под високо налягане за издухване на разтопен материал от зоната на рязане, което значително намалява изискването за мощност.Първо материалът се нагрява до точка на топене, след което газова струя издухва разтопения материал от прореза, като се избягва необходимостта от допълнително повишаване на температурата на материала.Материалите, изрязани с този процес, обикновено са метали.

Напукване от термично напрежение
Крехките материали са особено чувствителни към термично счупване, характеристика, използвана при напукване от термичен стрес.Лъчът се фокусира върху повърхността, причинявайки локално нагряване и топлинно разширение.Това води до пукнатина, която след това може да бъде направлявана чрез преместване на гредата.Пукнатината може да се премества в m/s.Обикновено се използва при рязане на стъкло.

Стелт нарязване на силициеви пластини
Допълнителна информация: Нарязване на вафли
Разделянето на микроелектронни чипове, приготвени при производството на полупроводникови устройства от силициеви пластини, може да се извърши чрез така наречения процес на стелт нарязане, който работи с импулсен Nd:YAG лазер, чиято дължина на вълната (1064 nm) е добре адаптирана към електронните ширина на забранената зона на силиций (1,11 eV или 1117 nm).

Реактивно рязане
Наричано също „рязане с лазерен газ със стабилизирано горене“, „рязане с пламък“.Реактивното рязане е като рязане с кислородна горелка, но с лазерен лъч като източник на запалване.Използва се предимно за рязане на въглеродна стомана с дебелина над 1 mm.Този процес може да се използва за рязане на много дебели стоманени плочи със сравнително малка лазерна мощност.

Допуски и повърхностно покритие
Лазерните резачки имат точност на позициониране от 10 микрометра и повторяемост от 5 микрометра [необходим цитат]

Стандартната грапавост Rz се увеличава с дебелината на листа, но намалява с лазерната мощност и скоростта на рязане.При рязане на нисковъглеродна стомана с лазерна мощност от 800 W стандартната грапавост Rz е 10 μm за дебелина на листа 1 mm, 20 μm за 3 mm и 25 μm за 6 mm.

{\displaystyle Rz={\frac {12,528\cdot S^{0,542}}{P^{0,528}\cdot V^{0,322}}}}{\displaystyle Rz={\frac {12,528\cdot S^{0,542 }}{P^{0,528}\cdot V^{0,322}}}}
Където: {\displaystyle S=}S= дебелина на стоманения лист в mm;{\displaystyle P=}P= лазерна мощност в kW (някои нови лазерни ножове имат лазерна мощност от 4 kW);{\displaystyle V=}V= скорост на рязане в метри в минута.[16]

Този процес е в състояние да поддържа доста близки допуски, често до 0,001 инча (0,025 mm).Геометрията на частта и механичната здравина на машината имат много общо с възможностите за толерантност.Типичното повърхностно покритие в резултат на рязане с лазерен лъч може да варира от 125 до 250 микроинча (0,003 mm до 0,006 mm).[11]

Машинни конфигурации

Двупалетен летящ оптичен лазер

Лазерна глава с летяща оптика
Обикновено има три различни конфигурации на машини за промишлено лазерно рязане: движещи се материали, хибридни и летящи оптични системи.Те се отнасят до начина, по който лазерният лъч се движи върху материала, който ще се реже или обработва.За всички тях осите на движение обикновено се обозначават като ос X и Y.Ако режещата глава може да се контролира, тя се обозначава като Z-ос.

Лазерите за движещи се материали имат неподвижна режеща глава и преместват материала под нея.Този метод осигурява постоянно разстояние от лазерния генератор до детайла и една точка, от която да се отстранят отпадъчните води при рязане.Изисква по-малко оптика, но изисква преместване на детайла.Този стил машина обикновено има най-малко оптика за доставяне на лъч, но също така има тенденция да бъде най-бавна.

Хибридните лазери осигуряват маса, която се движи по една ос (обикновено оста X) и движи главата по по-късата (Y) ос.Това води до по-постоянна дължина на пътя за доставяне на лъч в сравнение с летяща оптична машина и може да позволи по-проста система за доставяне на лъч.Това може да доведе до намалена загуба на мощност в системата за доставка и повече капацитет на ват в сравнение с летящите оптични машини.

Лазерите с летяща оптика се отличават със стационарна маса и режеща глава (с лазерен лъч), която се движи над детайла и в двете хоризонтални измерения.Фрезите с летяща оптика поддържат детайла неподвижен по време на обработка и често не изискват затягане на материала.Движещата се маса е постоянна, така че динамиката не се влияе от вариращия размер на детайла.Машините с летяща оптика са най-бързият тип, което е предимство при рязане на по-тънки детайли.[17]

Летящите оптични машини трябва да използват някакъв метод, за да вземат предвид променящата се дължина на лъча от рязане в близко поле (близо до резонатора) до рязане в далечно поле (далече от резонатора).Общите методи за контролиране на това включват колимация, адаптивна оптика или използване на ос с постоянна дължина на лъча.

Машините с пет и шест оси също позволяват рязане на формовани детайли.Освен това има различни методи за ориентиране на лазерния лъч към оформен детайл, поддържане на подходящо фокусно разстояние и разстояние на дюзата и т.н.

Пулсиране
Импулсните лазери, които осигуряват изблик на енергия с висока мощност за кратък период от време, са много ефективни при някои процеси на лазерно рязане, особено за пробиване, или когато са необходими много малки отвори или много ниски скорости на рязане, тъй като ако се използва постоянен лазерен лъч, топлината може да достигне точката на разтопяване на цялото парче, което се нарязва.

Повечето промишлени лазери имат способността да импулсират или режат CW (непрекъсната вълна) под програмно управление NC (цифрово управление).

Лазерите с двоен импулс използват поредица от двойки импулси, за да подобрят скоростта на отстраняване на материала и качеството на дупката.По същество първият импулс отстранява материала от повърхността, а вторият предотвратява прилепването на изхвърлянето към страната на отвора или среза.[18]