Lasersko rezanje je tehnologija koja koristi laser za isparavanje materijala, što rezultira reznim rubom.Iako se obično koristi za industrijske proizvodne aplikacije, sada ga koriste škole, mala poduzeća, arhitekti i hobisti.Lasersko rezanje funkcionira usmjeravanjem izlaza lasera velike snage najčešće kroz optiku.Laserska optika i CNC (računalno numeričko upravljanje) koriste se za usmjeravanje laserske zrake na materijal.Komercijalni laser za rezanje materijala koristi sustav kontrole pokreta za praćenje CNC ili G-koda uzorka koji se izrezuje na materijal.Fokusirana laserska zraka usmjerava se na materijal koji se zatim topi, gori, isparava ili ga otpuhuje mlaz plina [1], ostavljajući rub s visokokvalitetnom završnom obradom
Povijest
Godine 1965. prvi proizvodni stroj za lasersko rezanje korišten je za bušenje rupa u dijamantnim kalupima.Ovaj je stroj izradio Western Electric Engineering Research Center.[3]Godine 1967. Britanci su uveli laserski potpomognuto rezanje mlazom kisika za metale.[4]Početkom 1970-ih ova je tehnologija puštena u proizvodnju za rezanje titana za primjenu u zrakoplovstvu.U isto vrijeme CO2 laseri su prilagođeni za rezanje nemetala, kao što je tekstil, jer u to vrijeme CO2 laseri nisu bili dovoljno snažni da prevladaju toplinsku vodljivost metala.[5]
Postupak
Industrijsko lasersko rezanje čelika s uputama za rezanje programiranim preko CNC sučelja
Laserska zraka općenito se fokusira pomoću visokokvalitetne leće na radnu zonu.Kvaliteta snopa ima izravan utjecaj na veličinu fokusirane točke.Najuži dio fokusirane zrake općenito je manji od 0,0125 inča (0,32 mm) u promjeru.Ovisno o debljini materijala, moguće su širine zareza od samo 0,004 inča (0,10 mm).[6]Kako bi se moglo započeti s rezanjem s nekog drugog mjesta osim s ruba, prije svakog reza se radi probijanje.Piercing obično uključuje pulsirajuću lasersku zraku velike snage koja polako pravi rupu u materijalu, za što je na primjer potrebno oko 5-15 sekundi za nehrđajući čelik debljine 0,5 inča (13 mm).
Paralelne zrake koherentne svjetlosti iz laserskog izvora često padaju u rasponu između 0,06–0,08 inča (1,5–2,0 mm) u promjeru.Ovu zraku obično fokusira i pojačava leća ili zrcalo na vrlo malu točku od oko 0,001 inča (0,025 mm) kako bi se stvorila vrlo intenzivna laserska zraka.Kako bi se postigla najglađa moguća završna obrada tijekom konturnog rezanja, smjer polarizacije zrake mora se rotirati dok ide oko periferije konturnog obratka.Za rezanje lima, žarišna duljina je obično 1,5-3 inča (38-76 mm).[7]
Prednosti laserskog rezanja u odnosu na mehaničko rezanje uključuju lakše držanje za rad i smanjenu kontaminaciju izratka (budući da ne postoji oštrica koja se može kontaminirati materijalom ili kontaminirati materijal).Preciznost bi mogla biti bolja jer se laserska zraka ne troši tijekom procesa.Također postoji smanjena mogućnost savijanja materijala koji se reže, budući da laserski sustavi imaju malu zonu utjecaja topline.[8]Neke je materijale također vrlo teško ili nemoguće rezati tradicionalnijim sredstvima.
Lasersko rezanje metala ima prednosti u odnosu na plazma rezanje jer je preciznije[9] i koristi manje energije pri rezanju metalnog lima;međutim, većina industrijskih lasera ne može prorezati veću debljinu metala kao plazma.Noviji laserski strojevi koji rade na većoj snazi (6000 watta, za razliku od ranih laserskih strojeva za rezanje snage 1500 watta) približavaju se plazma strojevima u svojoj sposobnosti rezanja kroz debele materijale, ali kapitalni trošak takvih strojeva mnogo je veći od troška plazme strojevi za rezanje koji mogu rezati debele materijale poput čeličnih ploča.[10]
Vrste
CO2 laserski rezač od 4000 W
Postoje tri glavne vrste lasera koji se koriste za lasersko rezanje.CO2 laser je pogodan za rezanje, bušenje i graviranje.Neodimijski (Nd) i neodimijski itrij-aluminij-granatni (Nd:YAG) laseri identični su po stilu i razlikuju se samo po primjeni.Nd se koristi za bušenje i gdje je potrebna velika energija, ali malo ponavljanja.Nd:YAG laser se koristi tamo gdje je potrebna vrlo velika snaga te za bušenje i graviranje.I CO2 i Nd/Nd:YAG laseri mogu se koristiti za zavarivanje.[11]
CO2 laseri se obično "pumpaju" propuštanjem struje kroz mješavinu plina (DC-pobuđeni) ili korištenjem radiofrekventne energije (RF-pobuđeni).RF metoda je novija i postala je popularnija.Budući da dizajni s istosmjernom strujom zahtijevaju elektrode unutar šupljine, mogu se susresti s erozijom elektroda i nanošenjem elektrodnog materijala na staklo i optiku.Budući da RF rezonatori imaju vanjske elektrode, nisu skloni tim problemima.CO2 laseri koriste se za industrijsko rezanje mnogih materijala uključujući titan, nehrđajući čelik, meki čelik, aluminij, plastiku, drvo, drvo, vosak, tkanine i papir.YAG laseri prvenstveno se koriste za rezanje i piskanje metala i keramike.[12]
Osim izvora energije, vrsta protoka plina također može utjecati na performanse.Uobičajene varijante CO2 lasera uključuju brzi aksijalni protok, spori aksijalni protok, poprečni protok i ploču.U rezonatoru s brzim aksijalnim protokom, smjesa ugljičnog dioksida, helija i dušika cirkulira velikom brzinom pomoću turbine ili puhala.Laseri s poprečnim protokom cirkuliraju plinsku mješavinu manjom brzinom, što zahtijeva jednostavnije puhalo.Pločasti ili difuzijski hlađeni rezonatori imaju statičko plinsko polje koje ne zahtijeva pritisak ili stakleno posuđe, što dovodi do uštede na zamjenskim turbinama i staklenom posuđu.
Laserski generator i vanjska optika (uključujući fokusnu leću) zahtijevaju hlađenje.Ovisno o veličini i konfiguraciji sustava, otpadna toplina može se prenositi rashladnom tekućinom ili izravno u zrak.Voda je rashladno sredstvo koje se često koristi, a obično cirkulira kroz hladnjak ili sustav za prijenos topline.
laser microjet je laser vođen vodenim mlazom u kojem se pulsirajuća laserska zraka spaja u niskotlačni vodeni mlaz.Ovo se koristi za izvođenje funkcija laserskog rezanja dok se koristi vodeni mlaz za vođenje laserske zrake, slično optičkom vlaknu, kroz potpunu unutarnju refleksiju.Prednosti ovoga su da voda također uklanja ostatke i hladi materijal.Dodatne prednosti u odnosu na tradicionalno "suho" lasersko rezanje su velike brzine rezanja na kocke, paralelni rez i rezanje u svim smjerovima.[13]
Vlaknasti laseri vrsta su čvrstog lasera koji brzo raste u industriji rezanja metala.Za razliku od CO2, Fiber tehnologija koristi čvrsti medij za pojačanje, za razliku od plina ili tekućine.“Laser sjemena” proizvodi lasersku zraku i zatim se pojačava unutar staklenog vlakna.S valnom duljinom od samo 1064 nanometara vlaknasti laseri proizvode iznimno malu veličinu točke (do 100 puta manju u usporedbi s CO2) što ga čini idealnim za rezanje reflektirajućih metalnih materijala.Ovo je jedna od glavnih prednosti vlakana u usporedbi s CO2.[14]
Prednosti fiber laserskog rezača uključuju:-
Brzo vrijeme obrade.
Smanjena potrošnja energije i računi – zahvaljujući većoj učinkovitosti.
Veća pouzdanost i izvedba – nema optike za podešavanje ili poravnavanje i nema svjetiljki za zamjenu.
Minimalno održavanje.
Sposobnost obrade visoko reflektirajućih materijala kao što su bakar i mesing
Veća produktivnost – niži operativni troškovi nude veći povrat vaše investicije.[15]
Metode
Postoji mnogo različitih metoda rezanja pomoću lasera, s različitim vrstama koje se koriste za rezanje različitih materijala.Neke od metoda su isparavanje, taljenje i puhanje, puhanje taline i spaljivanje, pucanje pod toplinskim naprezanjem, scribing, hladno rezanje i rezanje stabiliziranim laserom.
Rezanje isparavanjem
Kod rezanja isparavanjem fokusirana zraka zagrijava površinu materijala do točke paljenja i stvara ključanicu.Ključanica dovodi do naglog povećanja upijanja brzo produbljujući rupu.Kako se rupa produbljuje i materijal vrije, stvorena para nagriza rastaljene stijenke izbacujući se van i dalje povećavajući rupu.Materijali koji se ne otapaju kao što su drvo, ugljik i duroplast obično se režu ovom metodom.
Otopiti i puhati
Rezanje taljenjem i puhanjem ili fuzijom koristi plin pod visokim pritiskom za otpuhivanje rastaljenog materijala iz područja rezanja, čime se znatno smanjuje potrebna snaga.Najprije se materijal zagrijava do točke taljenja, zatim plinski mlaz ispuhuje rastaljeni materijal iz proreza izbjegavajući potrebu za daljnjim podizanjem temperature materijala.Materijali rezani ovim postupkom obično su metali.
Pukotine uslijed toplinskog naprezanja
Krhki materijali posebno su osjetljivi na toplinski lom, značajku koja se iskorištava kod pucanja uslijed toplinskog naprezanja.Zraka je usmjerena na površinu uzrokujući lokalno zagrijavanje i toplinsko širenje.To rezultira pukotinom koja se zatim može voditi pomicanjem grede.Pukotina se može pomicati redom od m/s.Obično se koristi za rezanje stakla.
Nevidljivo rezanje silikonskih pločica
Dodatne informacije: Rezanje oblatni na kockice
Odvajanje mikroelektroničkih čipova pripremljenih u proizvodnji poluvodičkih uređaja od silicijskih pločica može se izvesti takozvanim postupkom stealth dicinga, koji radi s pulsirajućim Nd:YAG laserom, čija je valna duljina (1064 nm) dobro prilagođena elektroničkom zabranjeni pojas silicija (1,11 eV ili 1117 nm).
Reaktivno rezanje
Također se naziva "goreće stabilizirano lasersko rezanje plinom", "plameno rezanje".Reaktivno rezanje je poput rezanja bakljom kisikom, ali s laserskom zrakom kao izvorom paljenja.Uglavnom se koristi za rezanje ugljičnog čelika u debljinama preko 1 mm.Ovaj se postupak može koristiti za rezanje vrlo debelih čeličnih ploča s relativno malom snagom lasera.
Tolerancije i površinska obrada
Laserski rezači imaju točnost pozicioniranja od 10 mikrometara i ponovljivost od 5 mikrometara.[potreban citat]
Standardna hrapavost Rz raste s debljinom lima, ali opada sa snagom lasera i brzinom rezanja.Kod rezanja niskougljičnog čelika sa snagom lasera od 800 W standardna hrapavost Rz iznosi 10 μm za debljinu lima od 1 mm, 20 μm za 3 mm i 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}}}}
Gdje je: {\displaystyle S=}S= debljina čeličnog lima u mm;{\displaystyle P=}P= snaga lasera u kW (neki novi laserski rezači imaju snagu lasera od 4 kW);{\displaystyle V=}V= brzina rezanja u metrima po minuti.[16]
Ovaj proces može držati vrlo male tolerancije, često unutar 0,001 inča (0,025 mm).Geometrija dijela i mehanička ispravnost stroja imaju mnogo veze s tolerancijskim sposobnostima.Tipična završna obrada površine dobivena rezanjem laserskom zrakom može se kretati od 125 do 250 mikro-inča (0,003 mm do 0,006 mm).[11]
Konfiguracije stroja
Dvostruki laserski leteći optički laser
Laserska glava leteće optike
Općenito postoje tri različite konfiguracije industrijskih strojeva za lasersko rezanje: pokretni materijal, hibridni i sustavi leteće optike.Oni se odnose na način na koji se laserska zraka pomiče preko materijala koji se reže ili obrađuje.Za sve ove osi gibanja obično se označavaju X i Y osi.Ako se glava za rezanje može kontrolirati, ona je označena kao Z-os.
Laseri za pokretni materijal imaju stacionarnu reznu glavu i pomiču materijal ispod nje.Ova metoda osigurava stalnu udaljenost od laserskog generatora do izratka i jednu točku iz koje se uklanja otpadna voda rezanja.Zahtijeva manje optike, ali zahtijeva pomicanje obratka.Ovaj stilski stroj obično ima najmanje optike za isporuku zraka, ali također ima tendenciju da bude najsporiji.
Hibridni laseri imaju stol koji se pomiče u jednoj osi (obično X-osi) i pomiču glavu duž kraće (Y) osi.To rezultira konstantnijom duljinom puta isporuke zrake od letećeg optičkog stroja i može omogućiti jednostavniji sustav isporuke zrake.To može rezultirati smanjenim gubitkom snage u sustavu isporuke i većim kapacitetom po vatu od letećih optičkih strojeva.
Laseri s letećom optikom imaju stacionarni stol i reznu glavu (s laserskom zrakom) koja se pomiče preko obratka u obje vodoravne dimenzije.Rezači s letećom optikom drže obradak nepomičnim tijekom obrade i često ne zahtijevaju stezanje materijala.Pokretna masa je konstantna, tako da na dinamiku ne utječu promjene veličine obratka.Strojevi s letećom optikom najbrži su tip, što je prednost pri rezanju tanjih obradaka.[17]
Leteći optički strojevi moraju koristiti neku metodu da uzmu u obzir promjenu duljine zrake od rezanja u bliskom polju (blizu rezonatora) do rezanja dalekog polja (daleko od rezonatora).Uobičajene metode za kontrolu ovoga uključuju kolimaciju, adaptivnu optiku ili korištenje osi konstantne duljine snopa.
Strojevi s pet i šest osi također omogućuju rezanje oblikovanih izradaka.Osim toga, postoje različite metode usmjeravanja laserske zrake na oblikovani izradak, održavanje pravilne udaljenosti fokusa i odstupanja mlaznice, itd.
Pulsiranje
Pulsirajući laseri koji pružaju izljev energije velike snage u kratkom razdoblju vrlo su učinkoviti u nekim postupcima laserskog rezanja, posebno za bušenje, ili kada su potrebne vrlo male rupe ili vrlo niske brzine rezanja, jer ako se koristi konstantna laserska zraka, toplina bi mogla doseći točku topljenja cijelog komada koji se reže.
Većina industrijskih lasera ima mogućnost pulsiranja ili rezanja CW (kontinuiranog vala) pod kontrolom programa NC (numeričko upravljanje).
Laseri s dvostrukim pulsom koriste seriju parova impulsa za poboljšanje brzine uklanjanja materijala i kvalitete rupa.U suštini, prvi puls uklanja materijal s površine, a drugi sprječava da se izbacivanje zalijepi za rub rupe ili rez.[18]
Vrijeme objave: 16. lipnja 2022