cięcie laserowe

Cięcie laseroweto technologia wykorzystująca m.inlaserdo odparowania materiałów, w wyniku czego powstaje obcięta krawędź.Chociaż jest zwykle używany do zastosowań w produkcji przemysłowej, obecnie jest używany przez szkoły, małe firmy, architektów i hobbystów.Laserciąćdziała poprzez kierowanie wyjścia lasera dużej mocy, najczęściej przez optykę.Theoptyka laserowaICNC(komputerowe sterowanie numeryczne) służą do kierowania wiązki lasera na materiał.Komercyjny laser do cięcia materiałów wykorzystuje system sterowania ruchem do śledzenia CNC lubKod Gwzoru, który ma zostać wycięty na materiale.Skupiona wiązka lasera kierowana jest na materiał, który następnie topi się, spala, odparowuje lub zostaje wydmuchany przez strumień gazu, pozostawiając krawędź o wysokiej jakości wykończeniu powierzchni.

Historia

W 1965 roku uruchomiono pierwszą produkcyjną maszynę do cięcia laserowegowiertarkadziury wdiament umiera.Maszyna ta została wyprodukowana przez firmęZachodnie Centrum Badawcze Elektrotechniki.W 1967 roku Brytyjczycy byli pionierami w zakresie cięcia laserowego tlenem metali.We wczesnych latach siedemdziesiątych technologię tę wprowadzono do produkcji w celu cięcia tytanu do zastosowań lotniczych.W tym samym czasie CO₂Lasery zostały przystosowane do cięcia niemetali, takich jaktekstylia, ponieważ w tamtym czasie CO₂Lasery nie były wystarczająco mocne, aby pokonaćprzewodność cieplnametali.

Proces

Wiązka lasera jest zazwyczaj skupiana za pomocą wysokiej jakości soczewki na strefie roboczej.Thejakość wiązkima bezpośredni wpływ na wielkość ogniskowanej plamki.Najwęższa część skupionej wiązki ma zazwyczaj średnicę mniejszą niż 0,0125 cala (0,32 mm).W zależności od grubości materiału,podciosmożliwe są szerokości tak małe jak 0,004 cala (0,10 mm). Aby móc rozpocząć cięcie od innego miejsca niż krawędź, przed każdym cięciem wykonuje się przekłucie.Przekłuwanie zwykle polega na impulsowej wiązce lasera o dużej mocy, która powoli wykonuje dziurę w materiale, co zajmuje około 5–15 sekund w przypadku materiału o grubości 0,5 cala (13 mm).Stal nierdzewna, Na przykład.

Średnica równoległych promieni spójnego światła ze źródła lasera często mieści się w zakresie 1,5–2,0 mm (0,06–0,08 cala).Wiązka ta jest zwykle skupiana i wzmacniana przez soczewkę lub lustro do bardzo małej plamki o wielkości około 0,001 cala (0,025 mm), aby wytworzyć bardzo intensywną wiązkę lasera.Aby uzyskać jak najgładsze wykończenie podczas cięcia konturowego, należy zwrócić uwagę na kierunek wiązkipolaryzacjamusi być obracany wokół obwodu profilowanego przedmiotu obrabianego.W przypadku cięcia blachy ogniskowa wynosi zwykle 1,5–3 cale (38–76 mm).

Zalety cięcia laserowegocięcie mechaniczneobejmują łatwiejsze trzymanie przedmiotu obrabianego i mniejsze zanieczyszczenie przedmiotu obrabianego (ponieważ nie ma krawędzi tnącej, która mogłaby zostać zanieczyszczona materiałem lub zabrudzić materiał).Precyzja może być lepsza, ponieważ wiązka lasera nie zużywa się w trakcie procesu.Istnieje również zmniejszone ryzyko wypaczenia ciętego materiału, ponieważ systemy laserowe mają niewielką wielkośćstrefa wpływu ciepła.Niektóre materiały są również bardzo trudne lub niemożliwe do cięcia bardziej tradycyjnymi metodami.

Cięcie laserowe metali ma tę przewagę nad cięciem plazmowym, że jest bardziej precyzyjne i zużywa mniej energii podczas cięcia blachy;jednakże większość laserów przemysłowych nie jest w stanie przeciąć metalu o większej grubości niż plazma.Nowsze maszyny laserowe pracujące z większą mocą (6000 W w porównaniu do wczesnych maszyn do cięcia laserowego o mocy 1500 W) zbliżają się do maszyn plazmowych pod względem zdolności cięcia grubych materiałów, ale koszt inwestycyjny takich maszyn jest znacznie wyższy niż w przypadku maszyny do cięcia plazmowego zdolne do cięcia grubych materiałów, takich jak blacha stalowa.

Typy

Istnieją trzy główne typy laserów stosowanych w cięciu laserowym.TheWSPÓŁ2lasernadaje się do cięcia, wytaczania i grawerowania.Theneodym(Nd) i neodymitr-aluminium-granat(Nd: YAG) lasery są identyczne w stylu i różnią się jedynie zastosowaniem.Nd stosuje się do wytaczania i tam, gdzie wymagana jest duża energia, ale niska powtarzalność.Laser Nd:YAG stosowany jest tam, gdzie wymagana jest bardzo duża moc oraz do wytaczania i grawerowania.Zarówno CO2oraz lasery Nd/Nd:YAGspawalniczy.

WSPÓŁ2lasery są zwykle „pompowane” poprzez przepuszczanie prądu przez mieszankę gazową (wzbudzanie prądem stałym) lub wykorzystanie energii o częstotliwości radiowej (wzbudzanie RF).TheMetoda RFjest nowszy i stał się bardziej popularny.Ponieważ konstrukcje prądu stałego wymagają elektrod wewnątrz wnęki, mogą wystąpić erozja elektrody i osadzanie się materiału elektrodywyroby szklaneIoptyka.Ponieważ rezonatory RF mają zewnętrzne elektrody, nie są podatne na tego typu problemy.WSPÓŁ2Lasery są używane do przemysłowego cięcia wielu materiałów, w tym tytanu, stali nierdzewnej, stali miękkiej, aluminium, tworzyw sztucznych, drewna, drewna konstrukcyjnego, wosku, tkanin i papieru.Lasery YAG są używane głównie do cięcia i trasowania metali i ceramiki.

Oprócz źródła zasilania na wydajność wpływa również rodzaj przepływu gazu.Typowe warianty CO2lasery obejmują szybki przepływ osiowy, powolny przepływ osiowy, przepływ poprzeczny i płytę.W rezonatorze o szybkim przepływie osiowym mieszanina dwutlenku węgla, helu i azotu krąży z dużą prędkością za pomocą turbiny lub dmuchawy.Lasery o przepływie poprzecznym cyrkulują mieszankę gazową z mniejszą prędkością, co wymaga prostszej dmuchawy.Rezonatory chłodzone płytowo lub dyfuzyjnie charakteryzują się statycznym polem gazowym, które nie wymaga stosowania zwiększania ciśnienia ani stosowania wyrobów szklanych, co pozwala na oszczędności w zakresie wymiennych turbin i wyrobów szklanych.

Generator lasera i optyka zewnętrzna (w tym soczewka skupiająca) wymagają chłodzenia.W zależności od wielkości i konfiguracji systemu ciepło odpadowe może być przenoszone przez czynnik chłodzący lub bezpośrednio do powietrza.Woda jest powszechnie stosowanym czynnikiem chłodzącym, zwykle przepływającym przez agregat chłodniczy lub system wymiany ciepła.

Amikrostrumieni laserowychjest sterowany strumieniem wodylaserw którym pulsacyjna wiązka lasera jest sprzęgana ze strumieniem wody pod niskim ciśnieniem.Służy do wykonywania funkcji cięcia laserowego przy użyciu strumienia wody do prowadzenia wiązki laserowej, podobnie jak światłowód, przez całkowite wewnętrzne odbicie.Zaletą tego jest to, że woda usuwa również zanieczyszczenia i chłodzi materiał.Dodatkowymi zaletami w porównaniu z tradycyjnym „suchym” cięciem laserowym są duże prędkości cięcia równoległegopodciosi cięcie dookólne.

Lasery światłowodoweto rodzaj lasera na ciele stałym, który szybko zyskuje na popularności w branży cięcia metali.W odróżnieniu od CO₂Technologia światłowodowa wykorzystuje stały ośrodek wzmacniający, w przeciwieństwie do gazu lub cieczy.„Laser nasienny” wytwarza wiązkę laserową, która jest następnie wzmacniana we włóknie szklanym.Lasery światłowodowe o długości fali wynoszącej zaledwie 1064 nanometrów wytwarzają wyjątkowo małą plamkę (nawet 100 razy mniejszą w porównaniu z laserem CO₂), dzięki czemu idealnie nadaje się do cięcia odblaskowych materiałów metalowych.Jest to jedna z głównych zalet błonnika w porównaniu z CO₂.

Zalety wycinarki laserem światłowodowym obejmują: -

• Szybkie czasy przetwarzania.
• Mniejsze zużycie energii i rachunki – dzięki większej wydajności.
• Większa niezawodność i wydajność — brak konieczności regulacji i wyrównywania optyki oraz brak konieczności wymiany lamp.
• Minimalna konserwacja.
• Możliwość obróbki materiałów silnie odblaskowych, takich jak miedź i mosiądz
• Wyższa produktywność — niższe koszty operacyjne zapewniają większy zwrot z inwestycji.

Metody

Istnieje wiele różnych metod cięcia za pomocą laserów, przy czym różne typy są stosowane do cięcia różnych materiałów.Niektóre z metod to odparowanie, topienie i rozdmuchiwanie, rozdmuchiwanie i spalanie stopu, pękanie naprężeniowe termiczne, żłobienie, cięcie na zimno i cięcie laserowe stabilizowane spalaniem.

Cięcie waporyzacyjne

Podczas cięcia przez odparowanie skupiona wiązka podgrzewa powierzchnię materiału do temperatury zapłonu i tworzy dziurkę od klucza.Dziurka od klucza prowadzi do nagłego wzrostuchłonnośćszybko pogłębiając dziurę.W miarę jak otwór się pogłębia, a materiał wrze, powstająca para powoduje erozję stopionych ścianek, powodując wyrzucenie na zewnątrz i dalsze powiększanie otworu.Tą metodą zwykle tnie się materiały nietopliwe, takie jak drewno, węgiel i tworzywa termoutwardzalne.

Roztopić i dmuchać

Cięcie metodą topienia i rozdmuchiwania lub stapianie wykorzystuje gaz pod wysokim ciśnieniem do wydmuchania stopionego materiału z obszaru cięcia, co znacznie zmniejsza zapotrzebowanie na moc.Najpierw materiał podgrzewa się do temperatury topnienia, a następnie strumień gazu wydmuchuje stopiony materiał ze szczeliny, co pozwala uniknąć konieczności dalszego podnoszenia temperatury materiału.Materiały wycinane w tym procesie to zazwyczaj metale.

Pękanie naprężeniowe cieplne

Kruche materiały są szczególnie wrażliwe na pękanie termiczne, cechę wykorzystywaną w pękaniu naprężeniowym termicznym.Wiązka skupia się na powierzchni, powodując miejscowe nagrzewanie i rozszerzalność cieplną.W rezultacie powstaje pęknięcie, które można następnie poprowadzić przesuwając belkę.Pęknięcie można przesuwać w kolejności m/s.Zwykle stosuje się go do cięcia szkła.

Niewidoczne cięcie płytek krzemowych

Oddzieleniemikroelektronikachipsy przygotowane wprodukcja urządzeń półprzewodnikowychzWafle krzemowemożna przeprowadzić w procesie tzw. stealth dicing, który działa impulsowoLaser Nd:YAG, którego długość fali (1064 nm) jest dobrze dostosowana do elektronikiprzerwa pasmowazkrzem(1.11eVlub 1117 nm).

Cięcie reaktywne

Cięcie reaktywne nazywane jest także „cięciem laserowym ze stabilizowanym spalaniem” i „cięciem płomieniowym”.Cięcie reaktywne przypomina cięcie palnikiem tlenowym, ale źródłem zapłonu jest wiązka lasera.Stosowany głównie do cięcia stali węglowej o grubości powyżej 1 mm.Proces ten można zastosować do cięcia bardzo grubych blach stalowych przy stosunkowo małej mocy lasera.