Lasersko rezanje je tehnologija, ki uporablja laser za uparjanje materialov, kar povzroči odrezan rob.Medtem ko se običajno uporablja za aplikacije v industrijski proizvodnji, ga zdaj uporabljajo šole, mala podjetja, arhitekti in ljubitelji.Lasersko rezanje deluje tako, da se izhod visokozmogljivega laserja najpogosteje usmeri skozi optiko.Za usmerjanje laserskega žarka na material se uporablja laserska optika in CNC (računalniško numerično krmiljenje).Komercialni laser za rezanje materialov uporablja sistem za nadzor gibanja, da sledi CNC ali G-kodi vzorca, ki ga je treba izrezati na material.Osredotočeni laserski žarek je usmerjen na material, ki se nato bodisi stopi, zgori, izhlapi ali ga odpihne curek plina [1], pri čemer ostane rob z visokokakovostno površino.
Zgodovina
Leta 1965 je bil za vrtanje lukenj v diamantne matrice uporabljen prvi serijski stroj za lasersko rezanje.Ta stroj je izdelal Western Electric Engineering Research Center.[3]Leta 1967 so Britanci uvedli lasersko rezanje s kisikovim curkom za kovine.[4]V zgodnjih sedemdesetih letih je bila ta tehnologija dana v proizvodnjo za rezanje titana za uporabo v vesolju.Hkrati so bili CO2 laserji prilagojeni za rezanje nekovin, kot je tekstil, ker takrat CO2 laserji niso bili dovolj močni, da bi premagali toplotno prevodnost kovin.[5]
Proces
Industrijski laserski razrez jekla z rezalnimi navodili, programiranimi preko CNC vmesnika
Laserski žarek se običajno fokusira s pomočjo visokokakovostne leče na delovno območje.Kakovost žarka neposredno vpliva na velikost fokusne točke.Najožji del fokusiranega žarka je običajno manjši od 0,0125 palca (0,32 mm) v premeru.Odvisno od debeline materiala so možne širine zarez do 0,004 palca (0,10 mm). [6]Da bi lahko začeli rezati nekje drugje kot z roba, se pred vsakim rezom naredi prebadanje.Prebadanje običajno vključuje visokozmogljiv impulzni laserski žarek, ki počasi naredi luknjo v materialu, kar na primer za nerjavno jeklo debeline 0,5 palca (13 mm) traja približno 5–15 sekund.
Vzporedni žarki koherentne svetlobe iz laserskega vira pogosto padejo v premer med 0,06–0,08 palcev (1,5–2,0 mm).Ta žarek je običajno fokusiran in ojačan z lečo ali ogledalom na zelo majhno točko približno 0,001 palca (0,025 mm), da se ustvari zelo intenziven laserski žarek.Da bi dosegli najbolj gladko končno obdelavo med konturnim rezanjem, je treba smer polarizacije žarka obrniti, ko gre po obodu konturnega obdelovanca.Za rezanje pločevine je goriščna razdalja običajno 1,5–3 palca (38–76 mm).[7]
Prednosti laserskega rezanja pred mehanskim rezanjem vključujejo lažje držanje obdelovanca in zmanjšano onesnaženje obdelovanca (saj ni rezalnega roba, ki bi se lahko onesnažil z materialom ali kontaminiral material).Natančnost je morda boljša, saj se laserski žarek med postopkom ne obrabi.Obstaja tudi manjša možnost zvijanja materiala, ki ga režete, saj imajo laserski sistemi majhno območje toplotnega vpliva.[8]Nekatere materiale je tudi zelo težko ali nemogoče rezati z bolj tradicionalnimi sredstvi.
Lasersko rezanje kovin ima prednosti pred plazemskim rezanjem, saj je bolj natančno[9] in porabi manj energije pri rezanju pločevine;vendar večina industrijskih laserjev ne more prerezati kovine večje debeline kot plazma.Novejši laserski stroji, ki delujejo z večjo močjo (6000 vatov, v nasprotju s 1500 vati zgodnjih laserskih rezalnih strojev) se približujejo plazemskim strojem v svoji zmožnosti rezanja skozi debele materiale, vendar so kapitalski stroški takih strojev veliko višji od stroškov plazme. rezalni stroji za rezanje debelih materialov, kot je jeklena plošča.[10]
Vrste
4000 W CO2 laserski rezalnik
Pri laserskem rezanju se uporabljajo tri glavne vrste laserjev.CO2 laser je primeren za rezanje, vrtanje in graviranje.Neodim (Nd) in neodim itrij-aluminijev-granatni (Nd:YAG) laser sta enaka po slogu in se razlikujeta le v aplikaciji.Nd se uporablja za vrtanje in kjer je potrebna visoka energija, a malo ponavljanja.Nd:YAG laser se uporablja tam, kjer je potrebna zelo visoka moč ter za vrtanje in graviranje.Za varjenje se lahko uporablja tako CO2 kot Nd/Nd:YAG laser.[11]
Laserji CO2 se običajno "črpajo" s prepuščanjem toka skozi mešanico plinov (vzbujanje z enosmernim tokom) ali z uporabo radiofrekvenčne energije (vzbujanje z RF).RF metoda je novejša in je postala bolj priljubljena.Ker modeli z enosmernim tokom zahtevajo elektrode v votlini, lahko naletijo na erozijo elektrod in nanos elektrodnega materiala na stekleno posodo in optiko.Ker imajo RF resonatorji zunanje elektrode, niso nagnjeni k tem težavam.CO2 laserji se uporabljajo za industrijsko rezanje številnih materialov, vključno s titanom, nerjavnim jeklom, mehkim jeklom, aluminijem, plastiko, lesom, predelanim lesom, voskom, tkaninami in papirjem.Laserji YAG se uporabljajo predvsem za rezanje in črkanje kovin in keramike.[12]
Poleg vira energije lahko na delovanje vpliva tudi vrsta pretoka plina.Običajne različice CO2 laserjev vključujejo hiter aksialni tok, počasen aksialni tok, prečni tok in ploščo.V resonatorju s hitrim aksialnim tokom kroži mešanica ogljikovega dioksida, helija in dušika pri visoki hitrosti s pomočjo turbine ali puhala.Laserji s prečnim tokom krožijo mešanico plinov pri nižji hitrosti, kar zahteva enostavnejše puhalo.Plošče ali difuzijsko hlajeni resonatorji imajo statično plinsko polje, ki ne zahteva pritiska ali steklovine, kar vodi do prihrankov pri nadomestnih turbinah in steklovini.
Laserski generator in zunanja optika (vključno z lečo za ostrenje) zahtevata hlajenje.Odvisno od velikosti in konfiguracije sistema se lahko odpadna toplota prenese s hladilno tekočino ali neposredno v zrak.Voda je pogosto uporabljeno hladilno sredstvo, ki običajno kroži skozi hladilnik ali sistem za prenos toplote.
Laser microjet je z vodnim curkom voden laser, pri katerem je pulzni laserski žarek povezan z nizkotlačnim vodnim curkom.To se uporablja za izvajanje funkcij laserskega rezanja, medtem ko vodni curek vodi laserski žarek, podobno kot optično vlakno, skozi popolni notranji odboj.Prednosti tega so, da voda odstrani tudi ostanke in ohladi material.Dodatne prednosti pred tradicionalnim "suhim" laserskim rezanjem so visoke hitrosti rezanja, vzporedni rez in vsesmerno rezanje.[13]
Fiber laserji so vrsta polprevodniškega laserja, ki hitro raste v industriji rezanja kovin.Za razliko od CO2, tehnologija Fiber uporablja trden ojačitveni medij v nasprotju s plinom ali tekočino.»Semenski laser« proizvaja laserski žarek, ki se nato ojača v steklenih vlaknih.Z valovno dolžino le 1064 nanometrov laserji z vlakni proizvajajo izredno majhno točko (do 100-krat manjšo v primerjavi s CO2), zaradi česar so idealni za rezanje odsevnih kovinskih materialov.To je ena glavnih prednosti vlaken v primerjavi s CO2.[14]
Prednosti laserskega rezalnika vlaken vključujejo:
Hitri časi obdelave.
Manjša poraba energije in računi – zaradi večje učinkovitosti.
Večja zanesljivost in zmogljivost – brez optike, ki bi jo bilo treba prilagajati ali poravnati, in brez svetilk, ki bi jih bilo treba zamenjati.
Minimalno vzdrževanje.
Sposobnost obdelave materialov z visoko refleksijo, kot sta baker in medenina
Večja produktivnost – nižji operativni stroški nudijo večjo donosnost vaše naložbe.[15]
Metode
Obstaja veliko različnih metod rezanja z uporabo laserjev, z različnimi vrstami, ki se uporabljajo za rezanje različnih materialov.Nekatere od metod so uparjanje, taljenje in pihanje, pihanje taline in sežiganje, razpokanje zaradi toplotne obremenitve, praskanje, hladno rezanje in lasersko rezanje s stabilizacijo žganja.
Vaporizacijsko rezanje
Pri rezanju z uparjanjem fokusirani žarek segreje površino materiala do plamenišča in ustvari ključavnico.Ključavnica vodi do nenadnega povečanja vpojnosti in hitro poglablja luknjo.Ko se luknja poglobi in material vre, ustvarjena para razjeda staljene stene, izpihne ven in dodatno poveča luknjo.S to metodo se običajno režejo materiali, ki se ne talijo, kot so les, ogljik in duroplasti.
Stopite in pihajte
Rezanje s taljenjem in pihanjem ali fuzijsko rezanje uporablja visokotlačni plin za pihanje staljenega materiala z območja rezanja, kar močno zmanjša porabo energije.Najprej se material segreje do tališča, nato plinski curek odpihne staljeni material iz zareze, pri čemer se izogne potrebi po nadaljnjem dvigovanju temperature materiala.Materiali, razrezani s tem postopkom, so običajno kovine.
Razpoke zaradi toplotne napetosti
Krhki materiali so še posebej občutljivi na toplotni lom, značilnost, ki se izkorišča pri razpokanju zaradi toplotne napetosti.Žarek je usmerjen na površino, kar povzroči lokalno segrevanje in toplotno raztezanje.Posledica tega je razpoka, ki jo je nato mogoče voditi s premikanjem žarka.Razpoko je mogoče premikati po vrstnem redu m/s.Običajno se uporablja pri rezanju stekla.
Prikrito rezanje silicijevih rezin
Dodatne informacije: Rezanje oblatov
Ločevanje mikroelektronskih čipov, pripravljenih pri izdelavi polprevodniških naprav, od silicijevih rezin se lahko izvede s tako imenovanim postopkom prikritega rezanja, ki deluje s pulznim Nd:YAG laserjem, katerega valovna dolžina (1064 nm) je dobro prilagojena elektronskim pasovna vrzel silicija (1,11 eV ali 1117 nm).
Reaktivno rezanje
Imenuje se tudi "goreče stabilizirano lasersko plinsko rezanje", "plamensko rezanje".Reaktivno rezanje je podobno rezanju s kisikovo baklo, vendar z laserskim žarkom kot virom vžiga.Večinoma se uporablja za rezanje ogljikovega jekla v debelinah nad 1 mm.Ta postopek se lahko uporablja za rezanje zelo debelih jeklenih plošč z relativno majhno močjo laserja.
Tolerance in površinska obdelava
Laserski rezalniki imajo natančnost pozicioniranja 10 mikrometrov in ponovljivost 5 mikrometrov.[potreben citat]
Standardna hrapavost Rz narašča z debelino pločevine, vendar se zmanjšuje z močjo laserja in hitrostjo rezanja.Pri rezanju nizkoogljičnega jekla z močjo laserja 800 W je standardna hrapavost Rz 10 μm za pločevino debeline 1 mm, 20 μm za 3 mm in 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}}}}
Kje je: {\displaystyle S=}S= debelina jeklene pločevine v mm;{\displaystyle P=}P= moč laserja v kW (nekateri novi laserski rezalniki imajo moč laserja 4 kW);{\displaystyle V=}V= rezalna hitrost v metrih na minuto.[16]
Ta postopek je zmožen vzdrževati precej tesne tolerance, pogosto do 0,001 palca (0,025 mm).Geometrija delov in mehanska trdnost stroja imata veliko opraviti z zmožnostmi tolerance.Tipična površinska obdelava, ki je posledica rezanja z laserskim žarkom, je lahko od 125 do 250 mikro-palcev (0,003 mm do 0,006 mm).[11]
Konfiguracije stroja
Laser za letečo optiko z dvojno paleto
Laserska glava leteče optike
Na splošno obstajajo tri različne konfiguracije industrijskih strojev za lasersko rezanje: gibljivi material, hibridni in leteči optični sistemi.Ti se nanašajo na način, kako se laserski žarek premika po materialu, ki ga je treba rezati ali obdelovati.Za vse te so osi gibanja običajno označene z osjo X in Y.Če je rezalno glavo mogoče krmiliti, je označena kot Z-os.
Laserji za premikanje materiala imajo stacionarno rezalno glavo in premikajo material pod njo.Ta metoda zagotavlja konstantno razdaljo od laserskega generatorja do obdelovanca in eno samo točko, s katere je mogoče odstraniti odpadne vode pri rezanju.Zahteva manj optike, zahteva pa premikanje obdelovanca.Ta stroj ima najmanj optike za oddajanje žarkov, vendar je tudi najpočasnejši.
Hibridni laserji nudijo mizo, ki se premika v eni osi (običajno osi X) in premika glavo vzdolž krajše osi (Y).Posledica tega je bolj konstantna dolžina dovodne poti žarka kot leteči optični stroj in lahko omogoči enostavnejši sistem dovajanja žarka.To lahko povzroči manjšo izgubo moči v dovodnem sistemu in večjo zmogljivost na vat kot stroji z letečo optiko.
Laserji z letečo optiko imajo stacionarno mizo in rezalno glavo (z laserskim žarkom), ki se premika po obdelovancu v obeh vodoravnih dimenzijah.Rezalniki z letečo optiko ohranjajo obdelovanec med obdelavo pri miru in pogosto ne zahtevajo vpenjanja materiala.Gibljiva masa je konstantna, zato spreminjanje velikosti obdelovanca ne vpliva na dinamiko.Stroji z letečo optiko so najhitrejši tip, kar je prednost pri rezanju tanjših obdelovancev.[17]
Leteči optični stroji morajo uporabiti neko metodo za upoštevanje spreminjajoče se dolžine žarka od rezanja v bližnjem polju (blizu resonatorja) do rezanja v daljnem polju (daleč stran od resonatorja).Običajne metode za nadzor tega vključujejo kolimacijo, prilagodljivo optiko ali uporabo osi s konstantno dolžino žarka.
Petosni in šestosni stroji omogočajo tudi rezanje oblikovanih obdelovancev.Poleg tega obstajajo različni načini za usmerjanje laserskega žarka na oblikovan obdelovanec, vzdrževanje ustrezne razdalje ostrenja in odmika šob itd.
Utripajoča
Impulzni laserji, ki za kratek čas zagotavljajo visoko močan izbruh energije, so zelo učinkoviti pri nekaterih postopkih laserskega rezanja, zlasti pri prebadanju, ali ko so potrebne zelo majhne luknje ali zelo nizke hitrosti rezanja, saj če bi uporabili konstanten laserski žarek, vročina bi lahko dosegla točko, da se tali celoten kos, ki ga režete.
Večina industrijskih laserjev ima možnost pulzirati ali rezati CW (zvezni val) pod nadzorom programa NC (numerično krmiljenje).
Laserji z dvojnim impulzom uporabljajo vrsto parov impulzov za izboljšanje hitrosti odstranjevanja materiala in kakovosti lukenj.V bistvu prvi impulz odstrani material s površine, drugi pa prepreči, da bi se izmet oprijel strani luknje ali reza.[18]
Čas objave: 16. junij 2022