ตัดด้วยเลเซอร์

การตัดด้วยเลเซอร์เป็นเทคโนโลยีที่ใช้กเลเซอร์ทำให้วัสดุระเหยกลายเป็นไอ ทำให้เกิดคมตัดแม้ว่าโดยทั่วไปจะใช้สำหรับการใช้งานด้านการผลิตทางอุตสาหกรรม แต่ปัจจุบันใช้โดยโรงเรียน ธุรกิจขนาดเล็ก สถาปัตยกรรม และผู้ที่ชื่นชอบงานอดิเรกเลเซอร์การตัดทำงานโดยกำหนดทิศทางเอาท์พุตของเลเซอร์กำลังสูงที่ใช้กันมากที่สุดผ่านทางออปติกที่เลนส์เลเซอร์และซีเอ็นซี(การควบคุมเชิงตัวเลขด้วยคอมพิวเตอร์) ใช้เพื่อกำหนดทิศทางลำแสงเลเซอร์ไปยังวัสดุเลเซอร์เชิงพาณิชย์สำหรับการตัดวัสดุใช้ระบบควบคุมการเคลื่อนไหวเพื่อติดตาม CNC หรือG-รหัสของลวดลายที่ต้องการตัดลงบนวัสดุลำแสงเลเซอร์โฟกัสมุ่งตรงไปที่วัสดุ ซึ่งจะละลาย เผาไหม้ ระเหยออกไป หรือถูกพ่นออกไปด้วยไอพ่นก๊าซ ทิ้งขอบไว้ด้วยพื้นผิวคุณภาพสูง

ประวัติศาสตร์

ในปี พ.ศ. 2508 มีการใช้เครื่องตัดเลเซอร์สำหรับการผลิตเครื่องแรกเจาะรูเข้าเพชร ตาย.เครื่องนี้ถูกผลิตโดยศูนย์วิจัยวิศวกรรมไฟฟ้าตะวันตก.ในปี 1967 อังกฤษเป็นผู้บุกเบิกการตัดด้วยเจ็ตออกซิเจนที่ใช้เลเซอร์ช่วยสำหรับโลหะในช่วงต้นทศวรรษ 1970 เทคโนโลยีนี้ได้ถูกนำไปผลิตเพื่อตัดไทเทเนียมสำหรับการใช้งานด้านการบินและอวกาศขณะเดียวกัน บ₂เลเซอร์ถูกดัดแปลงเพื่อตัดวัสดุที่ไม่ใช่โลหะ เช่นสิ่งทอเนื่องจากในขณะนั้น บจก₂เลเซอร์ไม่ทรงพลังพอที่จะเอาชนะมันได้การนำความร้อนของโลหะ

กระบวนการ

โดยทั่วไปลำแสงเลเซอร์จะโฟกัสโดยใช้เลนส์คุณภาพสูงในบริเวณที่ทำงานที่คุณภาพของลำแสงมีผลกระทบโดยตรงต่อขนาดจุดที่โฟกัสส่วนที่แคบที่สุดของลำแสงโฟกัสโดยทั่วไปจะมีเส้นผ่านศูนย์กลางน้อยกว่า 0.0125 นิ้ว (0.32 มม.)ขึ้นอยู่กับความหนาของวัสดุเคอร์ฟความกว้างเล็กเพียง 0.004 นิ้ว (0.10 มม.) สามารถทำได้ เพื่อให้สามารถเริ่มตัดจากที่อื่นที่ไม่ใช่ขอบได้ จะต้องเจาะก่อนการตัดทุกครั้งการเจาะมักเกี่ยวข้องกับลำแสงเลเซอร์กำลังสูงซึ่งจะค่อยๆ เจาะรูในวัสดุ โดยใช้เวลาประมาณ 5–15 วินาทีสำหรับความหนา 0.5 นิ้ว (13 มม.)สแตนเลส, ตัวอย่างเช่น.

รังสีคู่ขนานของแสงที่สอดคล้องกันจากแหล่งกำเนิดเลเซอร์มักจะอยู่ในช่วงเส้นผ่านศูนย์กลางระหว่าง 0.06–0.08 นิ้ว (1.5–2.0 มม.)โดยปกติลำแสงนี้จะถูกโฟกัสและเพิ่มความเข้มข้นด้วยเลนส์หรือกระจกจนถึงจุดเล็กๆ ประมาณ 0.001 นิ้ว (0.025 มม.) เพื่อสร้างลำแสงเลเซอร์ที่มีความเข้มข้นมากเพื่อให้บรรลุผลสำเร็จที่นุ่มนวลที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ในระหว่างการตัดคอนทัวร์ ทิศทางของลำแสงโพลาไรซ์จะต้องหมุนขณะที่หมุนไปรอบขอบของชิ้นงานที่โค้งงอสำหรับการตัดโลหะแผ่น โดยทั่วไปทางยาวโฟกัสจะอยู่ที่ 1.5–3 นิ้ว (38–76 มม.)

ข้อดีของการตัดด้วยเลเซอร์มากกว่าการตัดเชิงกลรวมถึงการยึดเกาะงานได้ง่ายขึ้นและลดการปนเปื้อนของชิ้นงาน (เนื่องจากไม่มีคมตัดที่อาจเกิดการปนเปื้อนจากวัสดุหรือปนเปื้อนวัสดุได้)ความแม่นยำอาจดีกว่าเนื่องจากลำแสงเลเซอร์ไม่สึกหรอระหว่างกระบวนการนอกจากนี้ยังมีโอกาสเกิดการบิดเบี้ยวของวัสดุที่กำลังตัดลดลงอีกด้วย เนื่องจากระบบเลเซอร์มีขนาดเล็กโซนได้รับผลกระทบจากความร้อน.วัสดุบางชนิดยังตัดได้ยากหรือเป็นไปไม่ได้เลยด้วยวิธีการแบบดั้งเดิม

การตัดด้วยเลเซอร์สำหรับโลหะมีข้อได้เปรียบเหนือการตัดด้วยพลาสมาเนื่องจากมีความแม่นยำมากกว่าและใช้พลังงานน้อยกว่าในการตัดโลหะแผ่นอย่างไรก็ตาม เลเซอร์อุตสาหกรรมส่วนใหญ่ไม่สามารถตัดผ่านความหนาของโลหะที่มากกว่าพลาสมาได้เครื่องเลเซอร์รุ่นใหม่ที่ทำงานที่กำลังไฟสูงกว่า (6,000 วัตต์ ตรงกันข้ามกับพิกัด 1,500 วัตต์ของเครื่องตัดเลเซอร์ในยุคแรกๆ) กำลังเข้าใกล้เครื่องพลาสมาด้วยความสามารถในการตัดผ่านวัสดุที่มีความหนา แต่ต้นทุนทุนของเครื่องจักรดังกล่าวสูงกว่าต้นทุนของเครื่องจักรมาก เครื่องตัดพลาสม่าที่สามารถตัดวัสดุที่มีความหนา เช่น แผ่นเหล็กได้

ประเภท

เลเซอร์ที่ใช้ในการตัดด้วยเลเซอร์มีสามประเภทหลักที่บจก2เลเซอร์เหมาะสำหรับงานตัด คว้าน และแกะสลักที่นีโอไดเมียม(Nd) และนีโอดิเมียมอิตเทรียม-อลูมิเนียม-โกเมน(Nd:YAG) เลเซอร์มีสไตล์เหมือนกันและแตกต่างกันเฉพาะในการใช้งานเท่านั้นNd ใช้สำหรับการคว้านและที่ต้องการพลังงานสูงแต่ต้องใช้การซ้ำน้อยเลเซอร์ Nd:YAG ถูกใช้เมื่อต้องการพลังงานสูงมาก และสำหรับการคว้านและการแกะสลักทั้ง CO2และเลเซอร์ Nd/Nd:YAG ได้การเชื่อม.

บจก2โดยทั่วไปแล้วเลเซอร์จะถูก "ปั๊ม" โดยการส่งกระแสผ่านก๊าซผสม (กระตุ้นด้วย DC) หรือใช้พลังงานความถี่วิทยุ (กระตุ้นด้วย RF)ที่วิธี RFใหม่และได้รับความนิยมมากขึ้นเนื่องจากการออกแบบ DC ต้องใช้อิเล็กโทรดภายในช่อง จึงอาจเกิดการสึกกร่อนของอิเล็กโทรดและการชุบวัสดุอิเล็กโทรดได้เครื่องแก้วและเลนส์.เนื่องจากตัวสะท้อนความถี่วิทยุมีอิเล็กโทรดภายนอก จึงไม่น่าจะเกิดปัญหาเหล่านั้นบจก2เลเซอร์ใช้สำหรับการตัดวัสดุหลายประเภททางอุตสาหกรรม เช่น ไทเทเนียม สแตนเลส เหล็กเหนียว อลูมิเนียม พลาสติก ไม้ ไม้เอ็นจิเนียริ่ง ขี้ผึ้ง ผ้า และกระดาษเลเซอร์ YAG ใช้สำหรับการตัดและเขียนโลหะและเซรามิกเป็นหลัก

นอกจากแหล่งพลังงานแล้ว ประเภทของการไหลของก๊าซยังส่งผลต่อประสิทธิภาพการทำงานอีกด้วยรูปแบบทั่วไปของ CO2เลเซอร์รวมถึงการไหลตามแนวแกนเร็ว การไหลตามแนวแกนช้า การไหลตามขวาง และแผ่นคอนกรีตในเครื่องสะท้อนเสียงแบบไหลตามแนวแกนอย่างรวดเร็ว ส่วนผสมของคาร์บอนไดออกไซด์ ฮีเลียม และไนโตรเจนจะถูกหมุนเวียนด้วยความเร็วสูงโดยกังหันหรือเครื่องเป่าลมเลเซอร์ไหลตามขวางจะหมุนเวียนก๊าซที่ผสมด้วยความเร็วที่ต่ำกว่า ต้องใช้เครื่องเป่าลมที่ง่ายกว่าเครื่องสะท้อนเสียงแบบแผ่นพื้นหรือแบบกระจายความเย็นมีแหล่งก๊าซคงที่ซึ่งไม่ต้องการแรงดันหรือเครื่องแก้ว ซึ่งช่วยประหยัดค่ากังหันและเครื่องแก้วทดแทน

เครื่องกำเนิดเลเซอร์และเลนส์ภายนอก (รวมถึงเลนส์โฟกัส) จำเป็นต้องมีการระบายความร้อนขึ้นอยู่กับขนาดและการกำหนดค่าของระบบ ความร้อนทิ้งอาจถูกถ่ายเทโดยสารหล่อเย็นหรือโดยตรงไปยังอากาศน้ำเป็นสารหล่อเย็นที่ใช้กันทั่วไป ซึ่งมักจะไหลเวียนผ่านเครื่องทำความเย็นหรือระบบถ่ายเทความร้อน

กเลเซอร์ไมโครเจ็ทเป็นเครื่องฉีดน้ำนำเลเซอร์โดยลำแสงเลเซอร์แบบพัลซิ่งจะถูกต่อเข้ากับเครื่องฉีดน้ำแรงดันต่ำใช้เพื่อทำหน้าที่ตัดด้วยเลเซอร์ในขณะที่ใช้วอเตอร์เจ็ทเพื่อนำทางลำแสงเลเซอร์ เหมือนกับใยแก้วนำแสง ผ่านการสะท้อนภายในทั้งหมดข้อดีของการทำเช่นนี้ก็คือ น้ำยังช่วยขจัดเศษซากและทำให้วัสดุเย็นลงอีกด้วยข้อดีเพิ่มเติมที่เหนือการตัดด้วยเลเซอร์แบบ "แห้ง" แบบดั้งเดิมคือความเร็วการตัดเฉือนสูงแบบขนานเคอร์ฟและการตัดรอบทิศทาง

ไฟเบอร์เลเซอร์เป็นเลเซอร์โซลิดสเตตชนิดหนึ่งที่กำลังเติบโตอย่างรวดเร็วในอุตสาหกรรมการตัดโลหะต่างจาก CO₂เทคโนโลยีไฟเบอร์ใช้ตัวกลางที่ได้รับของแข็ง ซึ่งตรงข้ามกับก๊าซหรือของเหลว“เลเซอร์เมล็ด” จะสร้างลำแสงเลเซอร์แล้วขยายภายในใยแก้วด้วยความยาวคลื่นเพียง 1,064 นาโนเมตร ไฟเบอร์เลเซอร์จึงสร้างขนาดลำแสงที่เล็กมาก (เล็กกว่า CO2 ถึง 100 เท่า)₂) ทำให้เหมาะสำหรับการตัดวัสดุโลหะสะท้อนแสงนี่เป็นหนึ่งในข้อได้เปรียบหลักของไฟเบอร์เมื่อเทียบกับ CO₂.

ประโยชน์ของเครื่องตัดไฟเบอร์เลเซอร์ ได้แก่:-

• เวลาประมวลผลที่รวดเร็ว
• ลดการใช้พลังงานและค่าใช้จ่าย - เนื่องจากมีประสิทธิภาพมากขึ้น
• ความน่าเชื่อถือและประสิทธิภาพที่มากขึ้น - ไม่ต้องปรับหรือจัดตำแหน่งออปติก และไม่มีหลอดไฟให้เปลี่ยน
• การบำรุงรักษาน้อยที่สุด
• ความสามารถในการแปรรูปวัสดุที่มีการสะท้อนแสงสูง เช่น ทองแดง และทองเหลือง
• ผลผลิตที่สูงขึ้น - ต้นทุนการดำเนินงานที่ลดลงมอบผลตอบแทนจากการลงทุนที่มากขึ้น

วิธีการ

มีหลายวิธีในการตัดโดยใช้เลเซอร์ โดยประเภทต่างๆ ที่ใช้ในการตัดวัสดุที่แตกต่างกันวิธีการบางส่วน ได้แก่ การกลายเป็นไอ การหลอมและการเป่า การหลอมและการเผา การแตกร้าวจากความร้อน การเขียนแบบ การตัดด้วยความเย็น และการเผาการตัดด้วยเลเซอร์ที่มีความเสถียร

การตัดการกลายเป็นไอ

ในการตัดแบบไอ ลำแสงโฟกัสจะทำให้พื้นผิวของวัสดุร้อนจนถึงจุดวาบไฟ และสร้างรูกุญแจรูกุญแจนำไปสู่การเพิ่มขึ้นอย่างกะทันหันการดูดซึมขุดหลุมลึกอย่างรวดเร็วในขณะที่หลุมลึกขึ้นและวัสดุเดือด ไอที่สร้างขึ้นจะกัดกร่อนผนังที่หลอมละลาย เป่าฟองอากาศออกมาและทำให้รูขยายใหญ่ขึ้นอีกวัสดุที่ไม่ละลาย เช่น ไม้ คาร์บอน และพลาสติกเทอร์โมเซต มักจะถูกตัดด้วยวิธีนี้

ละลายและเป่า

การตัดแบบหลอมละลายหรือแบบฟิวชันใช้แก๊สแรงดันสูงเพื่อเป่าวัสดุหลอมเหลวออกจากบริเวณการตัด ส่งผลให้ความต้องการพลังงานลดลงอย่างมากขั้นแรก วัสดุจะถูกให้ความร้อนจนถึงจุดหลอมเหลว จากนั้นเจ็ทแก๊สจะเป่าวัสดุที่หลอมละลายออกจากรอยตัด เพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้อุณหภูมิของวัสดุสูงขึ้นอีกวัสดุที่ตัดด้วยกระบวนการนี้มักจะเป็นโลหะ

การแตกร้าวจากความเครียดจากความร้อน

วัสดุเปราะมีความไวต่อการแตกหักเนื่องจากความร้อนเป็นพิเศษ ซึ่งเป็นคุณลักษณะที่ใช้ในการแตกร้าวจากความเครียดจากความร้อนลำแสงถูกโฟกัสไปที่พื้นผิวทำให้เกิดความร้อนเฉพาะที่และการขยายตัวทางความร้อนซึ่งส่งผลให้เกิดรอยแตกร้าวซึ่งสามารถนำทางได้โดยการขยับลำแสงรอยแตกร้าวสามารถเคลื่อนที่ได้ในลำดับ m/sมักใช้ในการตัดกระจก

การลักลอบหั่นเวเฟอร์ซิลิคอน

การแยกจากไมโครอิเล็กทรอนิกส์ชิปตามที่เตรียมไว้ในการผลิตอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์จากเวเฟอร์ซิลิคอนอาจดำเนินการโดยกระบวนการที่เรียกว่า Stealth Dicing ซึ่งทำงานด้วยจังหวะเลเซอร์ Nd: YAGความยาวคลื่น (1,064 นาโนเมตร) ปรับให้เข้ากับอิเล็กทรอนิกส์ได้ดีช่องว่างของวงดนตรีของซิลิคอน(1.11อีวีหรือ 1117 นาโนเมตร)

การตัดปฏิกิริยา

การตัดปฏิกิริยาเรียกอีกอย่างว่า "การตัดแก๊สด้วยเลเซอร์ที่มีความเสถียรในการเผาไหม้" และ "การตัดด้วยเปลวไฟ"การตัดปฏิกิริยานั้นเหมือนกับการตัดคบเพลิงออกซิเจน แต่มีลำแสงเลเซอร์เป็นแหล่งกำเนิดประกายไฟส่วนใหญ่จะใช้สำหรับตัดเหล็กคาร์บอนที่มีความหนามากกว่า 1 มม.กระบวนการนี้สามารถใช้ในการตัดแผ่นเหล็กที่มีความหนามากโดยใช้กำลังเลเซอร์ค่อนข้างน้อย