Воведување на ласерско сечење

Ласерското сечење е технологија која користи ласер за испарување на материјалите, што резултира со пресечен раб.Иако вообичаено се користи за индустриски производствени апликации, сега се користи од училишта, мали бизниси, архитектура и хобисти.Ласерското сечење работи со насочување на излезот на ласер со висока моќност најчесто преку оптика.Ласерската оптика и CNC (компјутерска нумеричка контрола) се користат за насочување на ласерскиот зрак кон материјалот.Комерцијалниот ласер за материјали за сечење користи систем за контрола на движење за следење на CNC или G-код на шаблонот што треба да се исече на материјалот.Фокусираниот ласерски зрак е насочен кон материјалот, кој потоа или се топи, гори, испарува или се разнесува со млаз гас, [1] оставајќи раб со висококвалитетна завршна обработка на површината.

Историја
Во 1965 година, првата производна машина за ласерско сечење беше искористена за дупчење на дупки во дијамантски матрици.Оваа машина е направена од Западниот истражувачки центар за електрично инженерство.[3]Во 1967 година, Британците беа пионери за сечење на метали со помош на кислород со кислород.[4]Во раните 1970-ти, оваа технологија беше ставена во производство за да се намали титаниум за воздушни апликации.Во исто време CO2 ласерите беа приспособени да сечат неметали, како што е текстилот, бидејќи, во тоа време, ласерите на CO2 не беа доволно моќни да ја надминат топлинската спроводливост на металите.[5]

Процес

Индустриско ласерско сечење на челик со инструкции за сечење програмирани преку CNC интерфејсот
Ласерскиот зрак генерално се фокусира со користење на висококвалитетна леќа на работната зона.Квалитетот на зракот има директно влијание врз големината на фокусираното место.Најтесниот дел од фокусираниот зрак е генерално помал од 0,0125 инчи (0,32 mm) во дијаметар.Во зависност од дебелината на материјалот, можни се широчини на подлогата до 0,004 инчи (0,10 mm).[6]За да може да се започне со сечење од друго место освен од работ, се прави пирс пред секое сечење.Пирсингот обично вклучува импулсен ласерски зрак со голема моќност кој полека прави дупка во материјалот, што трае околу 5-15 секунди за нерѓосувачки челик со дебелина од 0,5 инчи (13 mm), на пример.

Паралелните зраци на кохерентна светлина од ласерскиот извор често паѓаат во опсег помеѓу 0,06-0,08 инчи (1,5-2,0 mm) во дијаметар.Овој зрак обично се фокусира и засилува со леќа или огледало до многу мало место од околу 0,001 инчи (0,025 mm) за да се создаде многу интензивен ласерски зрак.Со цел да се постигне најмазна можна завршница за време на контурното сечење, насоката на поларизација на снопот мора да се ротира додека се движи околу периферијата на контурно обработувано парче.За сечење лим, фокусната должина е обично 1,5–3 инчи (38–76 mm).[7]

Предностите на ласерското сечење во однос на механичкото сечење вклучуваат полесно одржување на работа и намалена контаминација на работното парче (бидејќи не постои раб што може да се контаминира од материјалот или да го загади материјалот).Прецизноста може да биде подобра, бидејќи ласерскиот зрак не се истроши за време на процесот.Исто така, постои намалена шанса за искривување на материјалот што се сече, бидејќи ласерските системи имаат мала зона погодена од топлина.[8]Некои материјали се исто така многу тешки или невозможни за сечење со потрадиционални средства.

Ласерското сечење за метали има предности во однос на сечењето со плазма што е попрецизно[9] и користи помалку енергија при сечење лим;сепак, повеќето индустриски ласери не можат да ја пресечат поголемата метална дебелина што ја може плазмата.Поновите ласерски машини кои работат со поголема моќност (6000 вати, за разлика од раните машини за ласерско сечење од 1500 вати) се приближуваат до плазма машините во нивната способност да сечат преку дебели материјали, но капиталната цена на таквите машини е многу повисока од онаа на плазмата. машини за сечење способни за сечење дебели материјали како челична плоча.[10]

Видови

Ласерски секач CO2 од 4000 вати
Постојат три главни типа на ласери кои се користат во ласерското сечење.CO2 ласерот е погоден за сечење, досадување и гравирање.Ласерите неодимиум (Nd) и неодимиум итриум-алуминиум-гранат (Nd:YAG) се со идентичен стил и се разликуваат само во примената.Nd се користи за досадно и каде што е потребна висока енергија, но мало повторување.Ласерот Nd:YAG се користи каде што е потребна многу голема моќност и за досадување и гравирање.За заварување може да се користат и CO2 и Nd/Nd:YAG ласерите.[11]

CO2 ласерите вообичаено се „пумпаат“ со поминување струја низ мешавината на гасови (возбудена со DC) или со користење на енергија на радиофреквенција (RF-возбудена).RF методот е понов и стана попопуларен.Бидејќи дизајните на еднонасочна струја бараат електроди во внатрешноста на шуплината, тие можат да наидат на ерозија на електродата и обложување на материјалот на електродата на стакларија и оптика.Бидејќи RF резонаторите имаат надворешни електроди, тие не се склони кон тие проблеми.CO2 ласерите се користат за индустриско сечење на многу материјали, вклучувајќи титаниум, нерѓосувачки челик, мек челик, алуминиум, пластика, дрво, инженерско дрво, восок, ткаенини и хартија.YAG ласерите првенствено се користат за сечење и гребење на метали и керамика.[12]

Покрај изворот на енергија, типот на проток на гас може да влијае и на перформансите.Вообичаени варијанти на CO2 ласери вклучуваат брз аксијален проток, бавен аксијален проток, попречен проток и плоча.Во резонатор со брз аксијален проток, мешавината од јаглерод диоксид, хелиум и азот се циркулира со голема брзина со помош на турбина или вентилатор.Ласерите со попречен тек ја циркулираат мешавината на гас со помала брзина, барајќи поедноставен вентилатор.Резонаторите кои се ладат со плоча или дифузија имаат статичко гасно поле кое не бара притисок или стаклени садови, што доведува до заштеда на замена на турбини и стаклени садови.

Ласерскиот генератор и надворешната оптика (вклучувајќи ја и фокусната леќа) бараат ладење.Во зависност од големината и конфигурацијата на системот, отпадната топлина може да се пренесе преку течноста за ладење или директно во воздухот.Водата е најчесто употребувана течност за ладење, која обично циркулира преку чилер или систем за пренос на топлина.

ласерски микроџет е ласер со воден млаз, во кој импулсен ласерски зрак е споен во воден млаз со низок притисок.Ова се користи за извршување на функции за ласерско сечење додека се користи млазот на вода за да се води ласерскиот зрак, слично како оптичко влакно, низ целосна внатрешна рефлексија.Предностите на ова се што водата ги отстранува и остатоците и го лади материјалот.Дополнителни предности во однос на традиционалното „суво“ ласерско сечење се големите брзини на сечење коцки, паралелно копче и сечење во сите насока.[13]

Ласерите со влакна се еден вид ласер со цврста состојба кој брзо расте во индустријата за сечење метал.За разлика од CO2, технологијата на влакна користи цврст медиум за засилување, за разлика од гас или течност.„Семениот ласер“ го произведува ласерскиот зрак и потоа се засилува во стаклено влакно.Со бранова должина од само 1064 нанометри, ласерите со влакна произведуваат исклучително мала големина на точка (до 100 пати помала во споредба со CO2) што го прави идеален за сечење рефлективен метален материјал.Ова е една од главните предности на влакната во споредба со CO2.[14]

Предностите на ласерскиот секач со влакна вклучуваат:

Брзи времиња на обработка.
Намалена потрошувачка на енергија и сметки – поради поголема ефикасност.
Поголема доверливост и перформанси – нема оптика за прилагодување или порамнување и нема светилки за замена.
Минимално одржување.
Способност за обработка на високо рефлектирачки материјали како бакар и месинг
Поголема продуктивност – пониските оперативни трошоци нудат поголем поврат на вашата инвестиција.[15]

Методи
Постојат многу различни методи за сечење со помош на ласери, со различни типови кои се користат за сечење различен материјал.Некои од методите се испарување, топење и дување, топење и изгорување, пукање со термички стрес, гребење, ладно сечење и стабилизирано ласерско сечење со горење.

Сечење со испарување
При сечење со испарување, фокусираниот зрак ја загрева површината на материјалот до точката на палење и генерира клучалка.Клучалката доведува до нагло зголемување на апсорпцијата што брзо ја продлабочува дупката.Како што дупката се продлабочува и материјалот врие, пареата што се создава ги еродира стопените ѕидови дувајќи се исфрлаат и дополнително ја зголемуваат дупката.Со овој метод обично се сечат материјалите што не се топат, како што се дрвото, јаглеродот и термореактивната пластика.
Се топи и издува
Сечењето со топење и дување или фузија користи гас под висок притисок за дување на стопениот материјал од областа за сечење, што значително ја намалува потребата за моќност.Најпрво материјалот се загрева до точката на топење, а потоа гасен млаз го издува стопениот материјал од гребенот избегнувајќи ја потребата дополнително да се подигне температурата на материјалот.Материјалите што се сечат со овој процес се обично метали.

Термички стрес пукање
Кршливите материјали се особено чувствителни на топлинска фрактура, карактеристика што се користи при пукање со термички стрес.Зракот е фокусиран на површината што предизвикува локализирано загревање и термичка експанзија.Ова резултира со пукнатина што потоа може да се води со поместување на зракот.Пукнатината може да се помести по редослед на m/s.Најчесто се користи за сечење стакло.

Стелт коцки на силиконски наполитанки
Дополнителни информации: Обланда на коцки
Раздвојувањето на микроелектронските чипови како што се подготвени во производството на полупроводнички уреди од силиконски наполитанки може да се изврши со таканаречениот процес на скришум коцки, кој работи со импулсен Nd:YAG ласер, чија бранова должина (1064 nm) е добро прилагодена на електронската бенд јаз од силициум (1,11 eV или 1117 nm).

Реактивно сечење
Се нарекува и „сечење со ласерски гас со стабилизирано согорување“, „сечење со пламен“.Реактивното сечење е како сечење со факел со кислород, но со ласерски зрак како извор на палење.Најчесто се користи за сечење јаглероден челик во дебелини над 1 мм.Овој процес може да се користи за сечење многу дебели челични плочи со релативно мала ласерска моќност.

Толеранции и завршна површина
Ласерските секачи имаат точност на позиционирање од 10 микрометри и повторливост од 5 микрометри.[потребен е цитат]

Стандардна грубост Rz се зголемува со дебелината на листот, но се намалува со ласерската моќност и брзината на сечење.При сечење на нискојаглероден челик со ласерска моќност од 800 W, стандардната грубост Rz е 10 μm за дебелина на листот од 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}}}}
Каде: {\displaystyle S=}S= дебелина на челичен лим во mm;{\displaystyle P=}P= ласерска моќност во kW (некои нови ласерски секачи имаат ласерска моќност од 4 kW);{\displaystyle V=}V= брзина на сечење во метри во минута.[16]

Овој процес е способен да држи доста блиски толеранции, често до 0,001 инчи (0,025 mm).Геометријата на дел и механичката цврстина на машината имаат многу врска со способностите за толеранција.Типичната завршна обработка на површината што произлегува од сечењето со ласерски зрак може да се движи од 125 до 250 микроинчи (0,003 mm до 0,006 mm).[11]

Конфигурации на машината

Ласер за летечка оптика со двојна палета

Летечка оптичка ласерска глава
Генерално, постојат три различни конфигурации на индустриски машини за ласерско сечење: подвижни материјали, хибридни и летечки оптички системи.Тие се однесуваат на начинот на кој ласерскиот зрак се движи над материјалот што треба да се сече или обработи.За сите овие, оските на движење обично се означени како оски X и Y.Ако главата за сечење може да се контролира, таа е означена како Z-оска.

Ласерите за подвижни материјали имаат стационарна глава за сечење и го движат материјалот под неа.Овој метод обезбедува постојано растојание од ласерскиот генератор до работното парче и единствена точка од која се отстранува отпадот од сечењето.Потребна е помалку оптика, но бара поместување на работното парче.Овој стил на машина има тенденција да има најмалку оптика за испорака на зрак, но исто така има тенденција да биде најбавна.

Хибридните ласери обезбедуваат маса која се движи во една оска (обично X-оската) и ја движи главата по пократката (Y) оска.Ова резултира со поконстантна должина на патеката за испорака на зрак отколку летечката оптичка машина и може да дозволи поедноставен систем за испорака на зрак.Ова може да резултира со намалена загуба на енергија во системот за испорака и поголем капацитет по вати отколку летечките оптички машини.

Летечкиот оптички ласер има стационарна маса и глава за сечење (со ласерски зрак) што се движи над работното парче во двете хоризонтални димензии.Летечките оптички секачи го задржуваат работното парче неподвижно за време на обработката и честопати не бараат материјално стегање.Подвижната маса е константна, така што динамиката не е засегната од различната големина на работното парче.Летечките оптички машини се најбрзиот тип, што е поволно при сечење на потенки работни парчиња.[17]

Летечките оптички машини мора да користат некој метод за да ја земат предвид променливата должина на снопот од сечење блиско поле (блиску до резонатор) до сечење на далечно поле (далеку од резонатор).Вообичаените методи за контролирање на ова вклучуваат колимација, адаптивна оптика или употреба на оска со постојана должина на зракот.

Машините со пет и шест оски исто така дозволуваат сечење формирани работни парчиња.Покрај тоа, постојат различни методи за ориентирање на ласерскиот зрак на обликувано работно парче, одржување на соодветно растојание за фокусирање и застој на млазницата итн.

Пулсирачки
Импулсните ласери кои обезбедуваат излив на енергија со голема моќ за краток период се многу ефикасни во некои процеси на ласерско сечење, особено за пирсинг, или кога се потребни многу мали дупки или многу мали брзини на сечење, бидејќи ако се користи постојан ласерски зрак, топлината може да достигне до степен да го стопи целото парче што се сече.

Повеќето индустриски ласери имаат способност да пулсираат или сечат CW (континуиран бран) под контрола на програмата NC (нумеричка контрола).

Ласерите со двојни импулси користат серија пулсни парови за да ја подобрат стапката на отстранување на материјалот и квалитетот на дупките.Во суштина, првиот пулс го отстранува материјалот од површината, а вториот го спречува исфрлањето да се залепи на страната на дупката или сечењето.[18]