Впровадження лазерного різання

Лазерне різання — це технологія, яка використовує лазер для випаровування матеріалів, що призводить до обрізання краю.Хоча зазвичай він використовується для промислового виробництва, зараз він використовується школами, малими підприємствами, архітектурою та любителями.Лазерне різання працює шляхом спрямування випромінювання потужного лазера найчастіше через оптику.Для спрямування лазерного променя на матеріал використовується лазерна оптика та ЧПУ (комп’ютерне числове керування).Комерційний лазер для різання матеріалів використовує систему керування рухом, щоб слідувати CNC або G-коду візерунка, який потрібно вирізати на матеріалі.Сфокусований лазерний промінь спрямовується на матеріал, який потім або плавиться, згорає, випаровується або здувається струменем газу[1], залишаючи край із високоякісною поверхнею.

історія
У 1965 році для свердління отворів у алмазних штампах була використана перша серійна машина для лазерного різання.Ця машина була виготовлена ​​Західним науково-дослідним центром електротехніки.[3]У 1967 році британці вперше запровадили кисневе різання металів за допомогою лазера.[4]На початку 1970-х років ця технологія була запущена у виробництво для різання титану для аерокосмічного застосування.У той же час CO2-лазери були адаптовані для різання неметалів, таких як текстиль, оскільки на той час CO2-лазери були недостатньо потужними, щоб подолати теплопровідність металів.[5]

процес

Промислове лазерне різання сталі з інструкціями різання, запрограмованими через інтерфейс ЧПУ
Лазерний промінь зазвичай фокусується за допомогою високоякісної лінзи на робочу зону.Якість променя безпосередньо впливає на розмір сфокусованої плями.Найвужча частина сфокусованого променя, як правило, має діаметр менше 0,0125 дюйма (0,32 мм).Залежно від товщини матеріалу можлива ширина пропилу до 0,004 дюйма (0,10 мм).[6]Щоб можна було розпочати різання не з краю, перед кожним надрізом робиться прокол.Зазвичай для пірсингу використовується потужний імпульсний лазерний промінь, який повільно робить отвір у матеріалі, наприклад, для пірсингу з нержавіючої сталі товщиною 0,5 дюйма (13 мм).

Паралельні промені когерентного світла від лазерного джерела часто потрапляють в діапазон 0,06–0,08 дюйма (1,5–2,0 мм) у діаметрі.Цей промінь зазвичай фокусується та підсилюється лінзою або дзеркалом до дуже маленької точки приблизно 0,001 дюйма (0,025 мм), щоб створити дуже інтенсивний лазерний промінь.Для досягнення максимально гладкої обробки під час контурного різання напрямок поляризації променя має бути змінений, коли він проходить по периферії контурної заготовки.Для різання листового металу фокусна відстань зазвичай становить 1,5–3 дюйми (38–76 мм).[7]

Переваги лазерного різання перед механічним різанням включають легше утримання заготовки та зменшення забруднення заготовки (оскільки немає ріжучої кромки, яка може забруднитися матеріалом або забруднити матеріал).Точність може бути кращою, оскільки лазерний промінь не зношується під час процесу.Також зменшується ймовірність викривлення матеріалу, який ріжеться, оскільки лазерні системи мають невелику зону теплового впливу.[8]Деякі матеріали також дуже важко або неможливо розрізати більш традиційними засобами.

Лазерне різання металів має переваги перед плазмовим різанням, оскільки є більш точним [9] і споживає менше енергії під час різання листового металу;однак більшість промислових лазерів не можуть прорізати метал більшої товщини, ніж плазма.Новіші лазерні верстати, що працюють на вищій потужності (6000 Вт, на відміну від ранніх лазерних різальних верстатів з потужністю 1500 Вт), наближаються до плазмових машин за своєю здатністю прорізати товсті матеріали, але капітальні витрати на такі машини набагато вищі, ніж на плазмові. машини для різання, здатні різати товсті матеріали, такі як сталеві листи.[10]

Типи

CO2 лазерний різак потужністю 4000 Вт
Для лазерного різання використовуються три основні типи лазерів.CO2-лазер підходить для різання, розточування та гравірування.Неодимовий (Nd) і неодимовий ітрій-алюмінієво-гранатовий (Nd:YAG) лазери ідентичні за стилем і відрізняються лише застосуванням.Nd використовується для розточування та там, де потрібна висока енергія, але низька кількість повторів.Лазер Nd:YAG використовується там, де потрібна дуже висока потужність, а також для розточування та гравірування.Для зварювання можна використовувати як CO2, так і Nd/Nd:YAG лазери.[11]

CO2-лазери зазвичай «накачуються» шляхом пропускання струму через газову суміш (збудження постійним струмом) або використання радіочастотної енергії (збудження радіочастот).RF метод є новим і став більш популярним.Оскільки конструкції постійного струму вимагають електродів усередині порожнини, вони можуть зіткнутися з ерозією електродів і покриттям електродного матеріалу на скляному посуді та оптиці.Оскільки радіочастотні резонатори мають зовнішні електроди, вони не схильні до цих проблем.CO2-лазери використовуються для промислового різання багатьох матеріалів, включаючи титан, нержавіючу сталь, м’яку сталь, алюміній, пластик, деревину, оброблену деревину, віск, тканини та папір.Лазери YAG в основному використовуються для різання та скрайбування металів і кераміки.[12]

Окрім джерела живлення, на продуктивність також може впливати тип потоку газу.Поширені варіанти CO2-лазерів включають швидкий аксіальний потік, повільний аксіальний потік, поперечний потік і сляб.У швидкому осьовому резонаторі суміш вуглекислого газу, гелію та азоту циркулює з високою швидкістю за допомогою турбіни або повітродувки.Лазери з поперечним потоком циркулюють газову суміш з нижчою швидкістю, що вимагає простішої повітродувки.Резонатори з пластинчастим або дифузійним охолодженням мають статичне газове поле, яке не вимагає тиску або скляного посуду, що веде до економії на заміні турбін і скляного посуду.

Лазерний генератор і зовнішня оптика (включаючи фокусну лінзу) потребують охолодження.Залежно від розміру та конфігурації системи відпрацьоване тепло може передаватися теплоносієм або безпосередньо повітрю.Вода є широко використовуваним теплоносієм, який зазвичай циркулює через холодильну машину або систему теплопередачі.

Лазерний мікроструйний — це водяний струмінь лазера, в якому імпульсний лазерний промінь з’єднується з водяним струменем низького тиску.Це використовується для виконання функцій лазерного різання під час використання струменя води для спрямування лазерного променя, подібно до оптичного волокна, шляхом повного внутрішнього відбиття.Перевагами цього є те, що вода також видаляє сміття та охолоджує матеріал.Додатковими перевагами в порівнянні з традиційним «сухим» лазерним різанням є висока швидкість нарізання кубиками, паралельний розпил і всенаправлене різання.[13]

Волоконні лазери — це тип твердотільного лазера, який швидко розвивається в галузі різання металу.На відміну від CO2, технологія Fiber використовує тверде середовище посилення, на відміну від газу чи рідини.«Посівний лазер» виробляє лазерний промінь, який потім посилюється у скловолокні.Завдяки довжині хвилі лише 1064 нанометра волоконний лазер виробляє надзвичайно малий розмір плями (у 100 разів менший порівняно з CO2), що робить його ідеальним для різання світловідбиваючого металевого матеріалу.Це одна з головних переваг Fiber порівняно з CO2.[14]

Переваги волоконного лазерного різака включають:-

Швидкий час обробки.
Зменшення споживання енергії та рахунків – завдяки більшій ефективності.
Більша надійність і продуктивність – не потрібно регулювати або вирівнювати оптику та замінювати лампи.
Мінімальне обслуговування.
Здатність обробляти високовідбиваючі матеріали, такі як мідь і латунь
Вища продуктивність – нижчі експлуатаційні витрати забезпечують більшу віддачу від ваших інвестицій.[15]

методи
Існує багато різних методів різання за допомогою лазерів, з різними типами, які використовуються для різання різних матеріалів.Деякі з методів випаровування, розплавлення та видування, розплавлення та спалювання, термічний розтріскування, скрайбування, холодне різання та стабілізоване лазерне різання.

Вапоризаційне різання
Під час пароподібного різання сфокусований промінь нагріває поверхню матеріалу до температури спалаху та створює замкову щілину.Замкова щілина призводить до раптового збільшення поглинання, швидко поглиблюючи отвір.У міру того, як отвір поглиблюється і матеріал кипить, пара, що утворюється, роз’їдає розплавлені стінки, викидаючись назовні та ще більше розширюючи отвір.Таким методом зазвичай ріжуть неплавкі матеріали, такі як деревина, вуглець і термореактивний пластик.
Розтопити і подути
Різання розплавом і видуванням або плавленням використовує газ під високим тиском, щоб видувати розплавлений матеріал із зони різання, що значно зменшує потребу в електроенергії.Спочатку матеріал нагрівається до температури плавлення, потім струмінь газу видуває розплавлений матеріал із пропилу, уникаючи необхідності подальшого підвищення температури матеріалу.Матеріали, вирізані цим процесом, зазвичай є металами.

Розтріскування від термічного напруження
Крихкі матеріали особливо чутливі до термічного руйнування, властивості, яка використовується при розтріскуванні від термічної напруги.Промінь фокусується на поверхні, викликаючи локальне нагрівання та теплове розширення.Це призводить до утворення тріщини, яку потім можна направляти, переміщаючи балку.Тріщину можна переміщати в порядку м/с.Зазвичай використовується для різання скла.

Стелс-нарізка кремнієвих пластин
Додаткова інформація: Нарізка вафель
Відокремлення мікроелектронних чіпів, отриманих під час виготовлення напівпровідникових пристроїв із кремнієвих пластин, може здійснюватися за допомогою так званого процесу стелс-нарізки, який працює за допомогою імпульсного Nd:YAG-лазера, довжина хвилі якого (1064 нм) добре адаптована до електронних ширина забороненої зони кремнію (1,11 еВ або 1117 нм).

Реактивне різання
Також називається «лазерне різання зі стабілізованим горінням», «полум’яне різання».Реактивне різання схоже на різання кисневим пальником, але джерелом запалювання є лазерний промінь.В основному використовується для різання вуглецевої сталі товщиною понад 1 мм.Цей процес можна використовувати для різання дуже товстих сталевих пластин із відносно невеликою потужністю лазера.

Допуски та обробка поверхні
Лазерні різаки мають точність позиціонування 10 мікрометрів і повторюваність 5 мікрометрів.

Стандартна шорсткість Rz збільшується з товщиною листа, але зменшується з потужністю лазера та швидкістю різання.При різанні низьковуглецевої сталі потужністю лазера 800 Вт стандартна шорсткість Rz становить 10 мкм для листа товщиною 1 мм, 20 мкм для 3 мм і 25 мкм для 6 мм.

{\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}}}}
Де: {\displaystyle S=}S= товщина сталевого листа в мм;{\displaystyle P=}P= потужність лазера в кВт (деякі нові лазерні різаки мають потужність лазера 4 кВт);{\displaystyle V=}V= швидкість різання в метрах за хвилину.[16]

Цей процес здатний підтримувати досить близькі допуски, часто в межах 0,001 дюйма (0,025 мм).Геометрія деталей і механічна надійність машини багато в чому залежать від можливостей допуску.Типова обробка поверхні в результаті різання лазерним променем може коливатися від 125 до 250 мікродюймів (0,003 мм до 0,006 мм).[11]

Конфігурації машини

Лазерна літаюча оптика з подвійною палетою

Лазерна головка літаючої оптики
Загалом існують три різні конфігурації машин для промислового лазерного різання: рухомий матеріал, гібридна система та система літаючої оптики.Вони стосуються способу, яким лазерний промінь переміщується над матеріалом, який потрібно розрізати або обробити.Для всіх них осі руху зазвичай позначаються віссю X і Y.Якщо ріжучою головкою можна керувати, вона позначається як вісь Z.

Лазери з рухомим матеріалом мають нерухому ріжучу головку і переміщують матеріал під нею.Цей метод забезпечує постійну відстань від лазерного генератора до заготовки та єдину точку, з якої видаляються різальні стоки.Це вимагає менше оптики, але вимагає переміщення заготовки.Машина цього стилю, як правило, має найменшу кількість оптичних засобів для доставки променя, але також має тенденцію бути найповільнішою.

Гібридні лазери забезпечують стіл, який рухається по одній осі (зазвичай по осі Х) і переміщує голову вздовж коротшої осі (Y).Це призводить до більш постійної довжини шляху доставки променя, ніж у літаючої оптичної машини, і може дозволити більш просту систему доставки променя.Це може призвести до зменшення втрат потужності в системі доставки та більшої потужності на ват, ніж у літаючих оптичних машин.

Лазери з літаючою оптикою мають нерухомий стіл і ріжучу головку (з лазерним променем), яка рухається над заготовкою в обох горизонтальних вимірах.Фрези з літаючою оптикою зберігають заготовку нерухомою під час обробки і часто не потребують затискання матеріалу.Маса, що рухається, постійна, тому на динаміку не впливає змінний розмір заготовки.Верстати з літаючою оптикою є найшвидшим типом, що є перевагою при різанні більш тонких заготовок.[17]

Літаючі оптичні машини повинні використовувати певний метод для врахування зміни довжини променя від різання в ближньому полі (близько до резонатора) до різання в дальньому полі (далеко від резонатора).Загальні методи контролю включають колімацію, адаптивну оптику або використання постійної осі довжини променя.

П'яти- та шестиосьові верстати також дозволяють різати формовані заготовки.Крім того, існують різні способи орієнтації лазерного променя на фасонну заготовку, підтримки належної фокусної відстані та відстані сопла тощо.

Пульсуючий
Імпульсні лазери, які забезпечують викид енергії високої потужності протягом короткого періоду часу, дуже ефективні в деяких процесах лазерного різання, зокрема для проколювання, або коли потрібні дуже маленькі отвори або дуже низькі швидкості різання, оскільки, якщо використовувати постійний лазерний промінь, тепло може досягти точки плавлення всього відрізаного шматка.

Більшість промислових лазерів мають здатність імпульсувати або різати CW (безперервну хвилю) під програмним керуванням NC (числове керування).

Подвійні імпульсні лазери використовують серію пар імпульсів для покращення швидкості видалення матеріалу та якості отворів.По суті, перший імпульс видаляє матеріал з поверхні, а другий запобігає прилипанню викиду до бокової частини отвору або розрізу.[18]