Lasersko rezanje je tehnologija koja koristi laser za isparavanje materijala, što rezultira reznim rubom.Iako se obično koristi za industrijske proizvodne aplikacije, sada ga koriste škole, mala preduzeća, arhitektura i hobisti.Lasersko rezanje radi usmjeravanjem izlaza lasera velike snage najčešće kroz optiku.Laserska optika i CNC (kompjuterska numerička kontrola) se koriste za usmjeravanje laserskog zraka na materijal.Komercijalni laser za rezanje materijala koristi sistem kontrole pokreta da prati CNC ili G-kod uzorka koji se reže na materijal.Fokusirani laserski snop usmjerava se na materijal, koji se zatim ili topi, sagorijeva, isparava ili ga otpuhuje mlaz plina,[1] ostavljajući rub s visokokvalitetnom završnom obradom površine.
istorija
Godine 1965., prva proizvodna mašina za lasersko sečenje korišćena je za bušenje rupa u dijamantskim kalupima.Ovu mašinu je napravio Western Electric Engineering Research Center.[3]Britanci su 1967. godine pioniri laserski potpomognuto rezanje metala mlazom kiseonika.[4]Početkom 1970-ih, ova tehnologija je puštena u proizvodnju za rezanje titana za primjenu u svemiru.Istovremeno, CO2 laseri su prilagođeni za rezanje nemetala, kao što je tekstil, jer u to vrijeme CO2 laseri nisu bili dovoljno snažni da savladaju toplinsku provodljivost metala.[5]
Proces
Industrijsko lasersko sečenje čelika sa uputstvima za sečenje programiranim preko CNC interfejsa
Laserski snop se uglavnom fokusira pomoću visokokvalitetnog sočiva na radnu zonu.Kvalitet zraka ima direktan uticaj na veličinu fokusirane tačke.Najuži dio fokusiranog zraka općenito je manji od 0,0125 inča (0,32 mm) u prečniku.Ovisno o debljini materijala, moguće su širine reza od 0,004 inča (0,10 mm).[6]Da bi se moglo početi sa rezanjem negdje drugdje osim ivice, prije svakog reza se radi bušenje.Piercing obično uključuje pulsni laserski snop velike snage koji polako pravi rupu u materijalu, na primjer, za 5-15 sekundi za nehrđajući čelik debljine 0,5 inča (13 mm).
Paralelni zraci koherentne svjetlosti iz laserskog izvora često padaju u rasponu između 0,06-0,08 inča (1,5-2,0 mm) u prečniku.Ovaj snop se normalno fokusira i pojačava sočivom ili ogledalom do vrlo male tačke od oko 0,001 inča (0,025 mm) kako bi se stvorio vrlo intenzivan laserski snop.Kako bi se postigla što glatkija završna obrada tokom konturnog rezanja, smjer polarizacije zraka mora se rotirati dok ide oko periferije konturiranog obratka.Za rezanje lima, žižna daljina je obično 1,5–3 inča (38–76 mm).[7]
Prednosti laserskog rezanja u odnosu na mehaničko su lakše držanje rada i smanjena kontaminacija radnog komada (jer nema rezne ivice koja može biti kontaminirana materijalom ili kontaminirati materijal).Preciznost može biti bolja, jer se laserski snop ne troši tokom procesa.Takođe je smanjena mogućnost savijanja materijala koji se seče, jer laserski sistemi imaju malu zonu toplotnog uticaja.[8]Neke materijale je također vrlo teško ili nemoguće rezati tradicionalnijim sredstvima.
Lasersko rezanje metala ima prednosti u odnosu na plazma sečenje jer je preciznije[9] i troši manje energije pri rezanju lima;međutim, većina industrijskih lasera ne može prorezati veću debljinu metala koju može plazma.Novije laserske mašine koje rade na većoj snazi (6000 vati, za razliku od ranih mašina za lasersko rezanje od 1500 vati) približavaju se plazma mašinama u svojoj sposobnosti da seku kroz debele materijale, ali kapitalni trošak takvih mašina je mnogo veći nego kod plazme mašine za sečenje sposobne da režu debele materijale kao što je čelična ploča.[10]
Vrste
CO2 laserski rezač od 4000 vati
Postoje tri glavne vrste lasera koji se koriste u laserskom rezanju.CO2 laser je pogodan za rezanje, bušenje i graviranje.Neodimijum (Nd) i neodimijum itrijum-aluminijum-granat (Nd:YAG) laseri su identični po stilu i razlikuju se samo po primeni.Nd se koristi za bušenje i gdje je potrebna velika energija, ali malo ponavljanja.Nd:YAG laser se koristi tamo gde je potrebna velika snaga i za bušenje i graviranje.I CO2 i Nd/Nd:YAG laseri se mogu koristiti za zavarivanje.[11]
CO2 laseri se obično „pumpaju” propuštanjem struje kroz mešavinu gasa (pobuđeni DC) ili korišćenjem energije radio frekvencije (pobuđeni RF).RF metoda je novija i postala je popularnija.Budući da DC dizajni zahtijevaju elektrode unutar šupljine, oni mogu naići na eroziju elektroda i nanošenje materijala elektrode na stakleno posuđe i optiku.Pošto RF rezonatori imaju eksterne elektrode, nisu skloni tim problemima.CO2 laseri se koriste za industrijsko rezanje mnogih materijala uključujući titan, nehrđajući čelik, meki čelik, aluminij, plastiku, drvo, konstruirano drvo, vosak, tkanine i papir.YAG laseri se prvenstveno koriste za rezanje i rezanje metala i keramike.[12]
Pored izvora napajanja, na performanse može uticati i vrsta protoka gasa.Uobičajene varijante CO2 lasera uključuju brzi aksijalni tok, spori aksijalni tok, poprečni tok i ploču.U rezonatoru s brzim aksijalnim protokom, mješavina ugljičnog dioksida, helija i dušika cirkulira velikom brzinom pomoću turbine ili puhala.Laseri sa poprečnim protokom cirkulišu mešavinu gasa nižom brzinom, zahtevajući jednostavniji ventilator.Rezonatori hlađeni pločama ili difuzijom imaju statičko plinsko polje koje ne zahtijeva pritisak ili stakleno posuđe, što dovodi do uštede na zamjenskim turbinama i staklenom posuđu.
Laserski generator i vanjska optika (uključujući fokusno sočivo) zahtijevaju hlađenje.U zavisnosti od veličine i konfiguracije sistema, otpadna toplota se može preneti rashladnom tečnošću ili direktno u vazduh.Voda je uobičajena rashladna tečnost, koja obično cirkuliše kroz rashladni uređaj ili sistem za prenos toplote.
laserski mikrodžet je laserski vođen vodenim mlazom u kojem je pulsni laserski snop spojen na vodeni mlaz niskog pritiska.Ovo se koristi za obavljanje funkcija laserskog rezanja dok se mlaz vode koristi za vođenje laserskog snopa, slično kao optičko vlakno, kroz potpunu unutrašnju refleksiju.Prednosti ovoga su da voda također uklanja ostatke i hladi materijal.Dodatne prednosti u odnosu na tradicionalno "suvo" lasersko rezanje su velike brzine kockanja, paralelno rezanje i rezanje u svim smjerovima.[13]
Fiber laseri su vrsta lasera u čvrstom stanju koji brzo raste u industriji rezanja metala.Za razliku od CO2, tehnologija vlakana koristi čvrsti medij za pojačanje, za razliku od plina ili tekućine.„Laser za seme“ proizvodi laserski snop i zatim se pojačava unutar staklenog vlakna.Sa talasnom dužinom od samo 1064 nanometara laseri sa vlaknima proizvode izuzetno malu veličinu tačke (do 100 puta manju u poređenju sa CO2) što ga čini idealnim za rezanje reflektujućih metalnih materijala.Ovo je jedna od glavnih prednosti vlakana u odnosu na CO2.[14]
Prednosti fiber laserskog rezača uključuju: -
Brza vremena obrade.
Smanjena potrošnja energije i računi – zbog veće efikasnosti.
Veća pouzdanost i performanse – nema optike za podešavanje ili poravnavanje i nema lampe za zamjenu.
Minimalno održavanje.
Sposobnost obrade visoko reflektirajućih materijala kao što su bakar i mesing
Veća produktivnost – niži operativni troškovi nude veći povrat vaše investicije.[15]
Metode
Postoji mnogo različitih metoda u rezanju pomoću lasera, s različitim vrstama koje se koriste za rezanje različitih materijala.Neke od metoda su vaporizacija, topljenje i puhanje, topljenje i izgaranje, pucanje termičkim naprezanjem, scribing, hladno sečenje i izgaranje stabilizovano lasersko sečenje.
Vaporizacijsko sečenje
Prilikom isparavanja, fokusirani snop zagrijava površinu materijala do tačke paljenja i stvara ključaonicu.Ključaonica dovodi do naglog povećanja upijanja i brzo produbljuje rupu.Kako se rupa produbljuje i materijal ključa, stvorena para erodira otopljene zidove koji izbijaju i dalje povećavaju rupu.Materijali koji se ne tope kao što su drvo, ugljik i termoreaktivna plastika obično se režu ovom metodom.
Rastopite i duvajte
Rezanje topljenjem i puhanjem ili fuzijom koristi plin pod visokim pritiskom za izduvavanje rastopljenog materijala iz područja rezanja, što uvelike smanjuje zahtjeve za snagom.Prvo se materijal zagreva do tačke topljenja, a zatim gasni mlaz izduvava rastopljeni materijal iz utora izbegavajući potrebu za daljim podizanjem temperature materijala.Materijali izrezani ovim postupkom su obično metali.
Pucanje pod toplinskim naprezanjem
Krhki materijali su posebno osjetljivi na termički lom, što je karakteristika koja se koristi kod pucanja pod termičkim naprezanjem.Zraka je fokusirana na površinu uzrokujući lokalizirano zagrijavanje i toplinsko širenje.To dovodi do pukotine koja se zatim može voditi pomicanjem grede.Pukotina se može pomjeriti u m/s.Obično se koristi za rezanje stakla.
Stealth kockice silikonskih pločica
Dodatne informacije: Rezanje vafla
Odvajanje mikroelektronskih čipova pripremljenih u proizvodnji poluprovodničkih uređaja od silicijumskih pločica može se izvesti takozvanim procesom stealth kockanja, koji radi sa impulsnim Nd:YAG laserom, čija je talasna dužina (1064 nm) dobro prilagođena elektronskom pojas silicijuma (1,11 eV ili 1117 nm).
Reaktivno rezanje
Naziva se i „gorenje stabilizovano lasersko gasno rezanje“, „sečenje plamenom“.Reaktivno rezanje je kao rezanje kiseonikom, ali sa laserskim snopom kao izvorom paljenja.Uglavnom se koristi za rezanje ugljeničnog čelika u debljinama preko 1 mm.Ovaj proces se može koristiti za rezanje vrlo debelih čeličnih ploča s relativno malom snagom lasera.
Tolerancije i završna obrada površine
Laserski rezači imaju tačnost pozicioniranja od 10 mikrometara i ponovljivost od 5 mikrometara.
Standardna hrapavost Rz raste sa debljinom lima, ali opada sa snagom lasera i brzinom rezanja.Prilikom rezanja niskougljičnog čelika sa snagom lasera od 800 W, standardna hrapavost Rz je 10 μm za debljinu lima od 1 mm, 20 μm za 3 mm i 25 μm za 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}}}}
Gdje je: {\displaystyle S=}S= debljina čeličnog lima u mm;{\displaystyle P=}P= snaga lasera u kW (neki novi laserski rezači imaju lasersku snagu od 4 kW);{\displaystyle V=}V= brzina rezanja u metrima u minuti.[16]
Ovaj proces je sposoban da zadrži prilično velike tolerancije, često do 0,001 inča (0,025 mm).Geometrija delova i mehanička čvrstoća mašine imaju mnogo veze sa mogućnostima tolerancije.Tipična obrada površine koja je rezultat rezanja laserskim snopom može se kretati od 125 do 250 mikro-inča (0,003 mm do 0,006 mm).[11]
Konfiguracije mašina
Laser za leteću optiku sa dvije palete
Laserska glava sa letećom optikom
Generalno, postoje tri različite konfiguracije industrijskih mašina za lasersko rezanje: pokretni materijal, hibridni i leteći optički sistemi.Oni se odnose na način na koji se laserski snop pomiče preko materijala koji se reže ili obrađuje.Za sve ove, ose kretanja su tipično označene kao X i Y osa.Ako se rezna glava može kontrolisati, ona se označava kao Z-osa.
Laseri za pokretni materijal imaju stacionarnu reznu glavu i pomiču materijal ispod nje.Ova metoda osigurava konstantnu udaljenost od laserskog generatora do radnog komada i jednu tačku iz koje se uklanja otpadna voda iz rezanja.Zahtijeva manje optike, ali zahtijeva pomicanje radnog komada.Ova mašina ima tendenciju da ima najmanje optike za isporuku zraka, ali je i najsporija.
Hibridni laseri pružaju sto koji se kreće u jednoj osi (obično X-osi) i pomiče glavu duž kraće (Y) ose.Ovo rezultira konstantnijom dužinom putanje isporuke zraka od leteće optičke mašine i može dozvoliti jednostavniji sistem isporuke snopa.Ovo može rezultirati smanjenim gubitkom snage u sistemu isporuke i većim kapacitetom po vatu od letećih mašina za optiku.
Laseri sa letećom optikom imaju stacionarni sto i reznu glavu (sa laserskim snopom) koja se kreće preko radnog komada u obe horizontalne dimenzije.Leteći optički rezači drže radni komad nepomično tokom obrade i često ne zahtijevaju stezanje materijala.Pokretna masa je konstantna, tako da na dinamiku ne utječe promjenjivost veličine radnog komada.Leteće optičke mašine su najbrži tip, što je prednost kod rezanja tanjih radnih komada.[17]
Leteće optičke mašine moraju koristiti neku metodu da uzmu u obzir promjenjivu dužinu snopa od sečenja bliskog polja (blizu rezonatora) do sečenja dalekog polja (daleko od rezonatora).Uobičajene metode za kontrolu ovoga uključuju kolimaciju, adaptivnu optiku ili korištenje osi konstantne dužine zraka.
Mašine sa pet i šest osa takođe dozvoljavaju rezanje oblikovanih radnih komada.Osim toga, postoje različite metode orijentacije laserske zrake na oblikovani radni komad, održavanje odgovarajuće udaljenosti fokusa i odstupanja mlaznice, itd.
Pulsing
Impulsni laseri koji obezbeđuju nalet energije velike snage u kratkom vremenskom periodu veoma su efikasni u nekim procesima laserskog rezanja, posebno za bušenje, ili kada su potrebne veoma male rupe ili veoma male brzine rezanja, jer ako se koristi konstantan laserski snop, toplota bi mogla da dostigne tačku topljenja celog komada koji se reže.
Većina industrijskih lasera ima sposobnost da pulsira ili seče CW (kontinuirani talas) pod NC (numerička kontrola) programskom kontrolom.
Dvostruki impulsni laseri koriste seriju impulsnih parova kako bi poboljšali brzinu uklanjanja materijala i kvalitetu rupa.U suštini, prvi impuls uklanja materijal sa površine, a drugi sprečava da se izbačeni deo zalepi za stranu rupe ili rezanja.[18]
Vrijeme objave: Jun-16-2022