Увядзенне лазернай рэзкі

Лазерная рэзка - гэта тэхналогія, якая выкарыстоўвае лазер для выпарвання матэрыялаў, што прыводзіць да выразанага краю.Хаця звычайна выкарыстоўваецца ў прамысловай вытворчасці, цяпер ён выкарыстоўваецца школамі, малым бізнесам, архітэктурай і аматарамі.Лазерная рэзка працуе шляхам накіравання выпраменьвання магутнага лазера часцей за ўсё праз оптыку.Лазерная оптыка і ЧПУ (кампутар з лікавым кіраваннем) выкарыстоўваюцца для накіравання лазернага прамяня на матэрыял.Камерцыйны лазер для рэзкі матэрыялаў выкарыстоўвае сістэму кіравання рухам, каб прытрымлівацца ЧПУ або G-коду ўзору, які трэба выразаць на матэрыяле.Сфакусаваны лазерны прамень накіроўваецца на матэрыял, які затым альбо плавіцца, згарае, выпараецца, альбо здзімаецца бруёй газу[1], пакідаючы край з высакаякаснай аздабленнем паверхні

Гісторыя
У 1965 годзе для свідравання адтулін у алмазных штампах была выкарыстана першая серыйная машына для лазернай рэзкі.Гэтая машына была зроблена Заходнім цэнтрам даследаванняў электратэхнікі [3] .У 1967 годзе брытанцы сталі піянерамі ў лазернай кіслароднай струйнай рэзцы металаў [4] .У пачатку 1970-х гэтая тэхналогія была запушчана ў вытворчасць для рэзкі тытана для аэракасмічнага прымянення.У той жа час CO2-лазеры былі прыстасаваны для рэзкі неметалаў, такіх як тэкстыль, таму што ў той час CO2-лазеры былі недастаткова магутнымі, каб пераадолець цеплаправоднасць металаў [5].

Працэс

Прамысловая лазерная рэзка сталі з інструкцыямі па рэзцы, запраграмаванымі праз інтэрфейс ЧПУ
Лазерны прамень звычайна факусуюць з дапамогай якаснай лінзы на рабочую зону.Якасць прамяня непасрэдна ўплывае на памер сфакусаванага плямы.Самая вузкая частка сфакусаванага прамяня звычайна мае дыяметр менш за 0,0125 цалі (0,32 мм).У залежнасці ад таўшчыні матэрыялу магчымая шырыня зрэзу да 0,004 цалі (0,10 мм). [6]Каб можна было пачаць рэзаць не з краю, перад кожным разрэзам робіцца пракол.Пірсінг звычайна ўключае магутны імпульсны лазерны прамень, які павольна робіць адтуліну ў матэрыяле, напрыклад, для нержавеючай сталі таўшчынёй 0,5 цалі (13 мм) займае каля 5–15 секунд.

Паралельныя прамяні кагерэнтнага святла ад лазернай крыніцы часта трапляюць у дыяпазон 0,06–0,08 цалі (1,5–2,0 мм) у дыяметры.Звычайна гэты прамень факусуюць і ўзмацняюць лінзай або люстэркам да вельмі маленькай плямы каля 0,001 цалі (0,025 мм), каб стварыць вельмі інтэнсіўны лазерны прамень.Для таго, каб дасягнуць максімальна гладкай аздаблення падчас контурнай рэзкі, кірунак палярызацыі прамяня трэба паварочваць, калі ён праходзіць па перыферыі контурнай нарыхтоўкі.Для рэзкі ліставога металу фокусная адлегласць звычайна складае 1,5-3 цалі (38-76 мм). [7]

Перавагі лазернай рэзкі перад механічнай рэзкай ўключаюць больш лёгкае ўтрыманне і меншае забруджванне нарыхтоўкі (паколькі няма рэжучай абзы, якая можа забруджвацца матэрыялам або забруджваць матэрыял).Дакладнасць можа быць лепш, так як лазерны прамень не зношваецца падчас працэсу.Таксама зніжаецца верагоднасць дэфармацыі матэрыялу, які рэжацца, паколькі лазерныя сістэмы маюць невялікую зону цеплавога ўздзеяння [8].Некаторыя матэрыялы таксама вельмі цяжка або немагчыма рэзаць больш традыцыйнымі сродкамі.

Лазерная рэзка металаў мае перавагі ў параўнанні з плазменнай, бо яна больш дакладная[9] і спажывае менш энергіі пры рэзцы ліставога металу;аднак большасць прамысловых лазераў не могуць прарэзаць метал большай таўшчыні, чым можа плазма.Новыя лазерныя станкі, якія працуюць з больш высокай магутнасцю (6000 Вт, у адрозненне ад ранніх лазерных рэзальных машын з магутнасцю 1500 Вт), набліжаюцца да плазменных машын па здольнасці праразаць тоўстыя матэрыялы, але капітальныя выдаткі на такія машыны значна вышэйшыя, чым на плазменныя. станкі для рэзкі, здольныя рэзаць тоўстыя матэрыялы, напрыклад сталёвую пласціну [10] .

Тыпы

Лазерны разак CO2 магутнасцю 4000 Вт
Для лазернай рэзкі выкарыстоўваюцца тры асноўныя тыпы лазераў.CO2-лазер падыходзіць для рэзкі, расточвання і гравіроўкі.Неадымавы (Nd) і неадымавы ітрый-алюміній-гранат (Nd:YAG) лазеры аднолькавыя па стылі і адрозніваюцца толькі прымяненнем.Nd выкарыстоўваецца для расточвання і там, дзе патрабуецца высокая энергія, але мала паўтораў.Лазер Nd:YAG выкарыстоўваецца там, дзе патрэбна вельмі высокая магутнасць, а таксама для расточвання і гравіроўкі.Для зваркі можна выкарыстоўваць як CO2, так і Nd/Nd:YAG лазеры [11] .

CO2-лазеры звычайна "напампоўваюцца", прапускаючы ток праз газавую сумесь (узбуджаны пастаянным токам) або з выкарыстаннем радыёчастотнай энергіі (узбуджаны ВЧ).ВЧ-метад больш новы і стаў больш папулярным.Паколькі канструкцыі пастаяннага току патрабуюць электродаў унутры поласці, яны могуць сутыкнуцца з эрозіяй электродаў і пакрыццём электроднага матэрыялу на шкляным посудзе і оптыцы.Паколькі радыёчастотныя рэзанатары маюць знешнія электроды, яны не схільныя гэтым праблемам.CO2-лазеры выкарыстоўваюцца для прамысловай рэзкі многіх матэрыялаў, у тым ліку тытана, нержавеючай сталі, мяккай сталі, алюмінія, пластыка, дрэва, канструктыўнай драўніны, воску, тканін і паперы.YAG-лазеры ў асноўным выкарыстоўваюцца для рэзкі і скрэбвання металаў і керамікі [12] .

У дадатак да крыніцы харчавання, тып газавага патоку таксама можа ўплываць на прадукцыйнасць.Агульныя варыянты лазераў CO2 ўключаюць хуткі восевы паток, павольны восевы паток, папярочны паток і пліту.У хуткім восевым рэзанатары сумесь вуглякіслага газу, гелія і азоту цыркулюе з высокай хуткасцю з дапамогай турбіны або паветранадзімалкі.Лазеры з папярочным патокам цыркулююць газавую сумесь з больш нізкай хуткасцю, што патрабуе больш простага паветранадзімалкі.Рэзанатары з плітным або дыфузійным астуджэннем маюць статычнае газавае поле, якое не патрабуе падвышэння ціску або шклянога посуду, што дазваляе зэканоміць на замене турбін і шклянога посуду.

Лазерны генератар і знешняя оптыка (у тым ліку фокусная лінза) патрабуюць астуджэння.У залежнасці ад памеру і канфігурацыі сістэмы адпрацаванае цяпло можа перадавацца цепланосбітам або непасрэдна ў паветра.Вада - гэта звычайна выкарыстоўваная цепланосбіт, якая звычайна цыркулюе праз ахаладжальнік або сістэму цеплаабмену.

laser microjet - гэта лазер з гідраструйным навядзеннем, у якім імпульсны лазерны прамень злучаецца з вадзяной бруёй нізкага ціску.Гэта выкарыстоўваецца для выканання функцый лазернай рэзкі пры выкарыстанні бруі вады для накіравання лазернага прамяня, падобна аптычнага валакна, праз поўнае ўнутранае адлюстраванне.Перавагі гэтага ў тым, што вада таксама выдаляе смецце і астуджае матэрыял.Дадатковымі перавагамі ў параўнанні з традыцыйнай «сухі» лазернай рэзкай з'яўляюцца высокая хуткасць нарэзкі, паралельны зрэз і ўсенакіраваная рэзка [13].

Валаконны лазер - гэта тып цвёрдацельнага лазера, які хутка расце ў металарэзнай прамысловасці.У адрозненне ад CO2, тэхналогія Fiber выкарыстоўвае цвёрдае асяроддзе ўзмацнення, у адрозненне ад газу або вадкасці.«Насенны лазер» стварае лазерны прамень, які затым узмацняецца ў шкляным валакне.З даўжынёй хвалі ўсяго 1064 нанаметры валаконныя лазеры ствараюць надзвычай малы памер плямы (да 100 разоў меншы ў параўнанні з CO2), што робіць яго ідэальным для рэзкі святлоадбівальных металічных матэрыялаў.Гэта адна з галоўных пераваг Fiber у параўнанні з CO2.[14]

Перавагі валаконна-лазернага разака ўключаюць: -

Хуткі час апрацоўкі.
Зніжэнне спажывання энергіі і рахункаў - дзякуючы большай эфектыўнасці.
Павышаная надзейнасць і прадукцыйнасць - няма оптыкі для рэгулявання або выраўноўвання і лямпаў для замены.
Мінімальны догляд.
Магчымасць апрацоўваць матэрыялы з высокай ступенню адлюстравання, такія як медзь і латунь
Больш высокая прадукцыйнасць - меншыя эксплуатацыйныя выдаткі забяспечваюць большую аддачу ад вашых інвестыцый.[15]

Метады
Ёсць шмат розных метадаў рэзкі з дапамогай лазера, з рознымі тыпамі, якія выкарыстоўваюцца для рэзкі розных матэрыялаў.Некаторыя з метадаў - гэта выпарэнне, расплаўленне і выдзіманне, выдзіманне з расплаву і апёк, парэпанне пад тэрмічным напружаннем, скрайбаванне, халодная рэзка і стабілізаваная лазерная рэзка.

Рэзка парай
Пры выпаральнай рэзцы сфакусаваны прамень награвае паверхню матэрыялу да тэмпературы ўспышкі і стварае замочную свідравіну.Замочная свідравіна прыводзіць да раптоўнага павелічэння паглынальнай здольнасці, хутка паглыбляючы адтуліну.Калі адтуліна паглыбляецца і матэрыял закіпае, пар, які ўтвараецца, раз'ядае расплаўленыя сценкі, выдзімаючы вонкі і яшчэ больш павялічваючы адтуліну.Гэтым метадам звычайна рэжуць неплаўкія матэрыялы, такія як дрэва, вуглярод і рэактыўны пластык.
Растапіць і выдзьмуць
Рэзка плаўленнем і выдзіманнем або плаўленнем выкарыстоўвае газ пад высокім ціскам для выдзімання расплаўленага матэрыялу з зоны рэзкі, што значна зніжае патрэбу ў магутнасці.Спачатку матэрыял награваецца да тэмпературы плаўлення, затым бруя газу выдзімае расплаўлены матэрыял з разрэзу, пазбягаючы неабходнасці далейшага павышэння тэмпературы матэрыялу.Матэрыялы, выразаныя такім працэсам, звычайна ўяўляюць сабой металы.

Парэпанне ад тэрмічнага напружання
Крохкія матэрыялы асабліва адчувальныя да тэрмічнага разбурэння, асаблівасці, якая выкарыстоўваецца пры расколінах ад тэрмічнага напружання.Прамень факусуюць на паверхні, выклікаючы лакальнае награванне і цеплавое пашырэнне.Гэта прыводзіць да расколіны, якую потым можна накіроўваць, рухаючы бэльку.Расколіну можна перамяшчаць у парадку м/с.Звычайна выкарыстоўваецца пры рэзцы шкла.

Схаваная нарэзка крамянёвых пласцін
Дадатковая інфармацыя: нарэзка вафель
Падзел мікраэлектронных чыпаў, атрыманых пры вырабе паўправадніковых прыбораў з крэмніевых пласцін, можа быць выкананы з дапамогай так званага працэсу стэлс-нарэзкі, які працуе з дапамогай імпульснага лазера Nd:YAG, даўжыня хвалі якога (1064 нм) добра адаптавана да электронных шырыня забароненай зоны крэмнія (1,11 эВ або 1117 нм).

Рэактыўная рэзка
Таксама называецца «лазерная газавая рэзка са стабілізацыяй гарэння», «полымяная рэзка».Рэактыўная рэзка падобная на рэзку кіслароднай факелам, але з лазерным прамянём у якасці крыніцы запальвання.У асноўным выкарыстоўваецца для рэзкі вугляродзістай сталі таўшчынёй больш за 1 мм.Гэты працэс можна выкарыстоўваць для рэзкі вельмі тоўстых сталёвых пласцін з адносна невялікай магутнасцю лазера.

Допускі і аздабленне паверхні
Лазерныя разакі маюць дакладнасць пазіцыянавання 10 мікраметраў і паўтаральнасць 5 мікраметраў.

Стандартная шурпатасць Rz павялічваецца з таўшчынёй ліста, але памяншаецца з павелічэннем магутнасці лазера і хуткасці рэзкі.Пры рэзцы нізкавугляродзістай сталі магутнасцю лазера 800 Вт стандартная шурпатасць Rz складае 10 мкм для ліста таўшчынёй 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}}}}
Дзе: {\displaystyle S=}S= таўшчыня сталёвага ліста ў мм;{\displaystyle P=}P= магутнасць лазера ў кВт (некаторыя новыя лазерныя разакі маюць магутнасць лазера 4 кВт);{\displaystyle V=}V= хуткасць рэзкі ў метрах у хвіліну.[16]

Гэты працэс здольны захоўваць даволі блізкія допускі, часта з дакладнасцю да 0,001 цалі (0,025 мм).Геаметрыя дэталяў і механічная трываласць машыны ў значнай ступені залежаць ад магчымасцей допуску.Тыповая аздабленне паверхні ў выніку рэзкі лазерным прамянём можа вар'іравацца ад 125 да 250 мікрацаляў (0,003 мм да 0,006 мм). [11]

Канфігурацыі машын

Лазерная лятаючая оптыка з двума паллетамі

Лазерная галоўка лятаючай оптыкі
Як правіла, існуе тры розныя канфігурацыі прамысловых станкоў для лазернай рэзкі: рухомыя матэрыялы, гібрыдныя і сістэмы лятаючай оптыкі.Яны адносяцца да таго, як лазерны прамень перамяшчаецца па матэрыяле, які трэба выразаць або апрацаваць.Для ўсіх з іх восі руху звычайна пазначаюцца восямі X і Y.Калі рэжучай галоўкай можна кіраваць, яна пазначаецца як вось Z.

Лазеры для перамяшчэння матэрыялу маюць нерухомую рэжучую галоўку і перамяшчаюць матэрыял пад ёй.Гэты метад забяспечвае пастаянную адлегласць ад лазернага генератара да нарыхтоўкі і адну кропку, з якой выдаляюцца сцёкі ад рэзкі.Ён патрабуе менш оптыкі, але патрабуе перамяшчэння нарыхтоўкі.Машына гэтага стылю, як правіла, мае найменшую колькасць оптычных сродкаў падачы прамяня, але таксама мае тэндэнцыю быць самай павольнай.

Гібрыдныя лазеры забяспечваюць стол, які рухаецца па адной восі (звычайна па восі Х) і перамяшчае галаву па карацейшай (Y) восі.Гэта прыводзіць да больш пастаяннай даўжыні шляху падачы прамяня, чым лятаючая аптычная машына, і можа дазволіць больш простую сістэму падачы прамяня.Гэта можа прывесці да зніжэння страт магутнасці ў сістэме дастаўкі і большай магутнасці на ват, чым у машын з лятаючай оптыкай.

Лазеры з лятучай оптыкай маюць нерухомы стол і рэжучую галоўку (з лазерным прамянём), якая рухаецца па нарыхтоўцы ў абодвух гарызантальных вымярэннях.Фрэзы з лятучай оптыкай трымаюць нарыхтоўку нерухомай падчас апрацоўкі і часта не патрабуюць заціску матэрыялу.Маса, якая рухаецца, пастаянная, таму змяненне памеру нарыхтоўкі не ўплывае на дынаміку.Машыны з лятаючай оптыкай з'яўляюцца самым хуткім тыпам, што выгадна пры рэзцы больш тонкіх нарыхтовак [17] .

Лятаючыя аптычныя машыны павінны выкарыстоўваць пэўны метад для ўліку змены даўжыні прамяня ад блізкага поля (блізка да рэзанатара) да рэзкі ў далёкім полі (далёка ад рэзанатара).Агульныя метады кантролю ўключаюць калімацыю, адаптыўную оптыку або выкарыстанне пастаяннай восі даўжыні прамяня.

Пяці- і шасцівосевыя станкі таксама дазваляюць рэзаць фасонныя загатоўкі.Акрамя таго, існуюць розныя спосабы арыентацыі лазернага прамяня на фасонную нарыхтоўку, захавання патрэбнай факусіроўкі і дыстанцыі сопла і г.д.

Пульсуючы
Імпульсныя лазеры, якія забяспечваюць выкід энергіі высокай магутнасці на працягу кароткага перыяду, вельмі эфектыўныя ў некаторых працэсах лазернай рэзкі, у прыватнасці, для праколвання, або калі патрабуюцца вельмі маленькія адтуліны або вельмі нізкія хуткасці рэзкі, таму што пры выкарыстанні пастаяннага лазернага прамяня, цяпло магло дасягнуць такой ступені, каб расплавіцца ўвесь кавалак, які адразаецца.

Большасць прамысловых лазераў маюць магчымасць імпульсаваць або рэзаць CW (бесперапынную хвалю) пад кіраваннем праграмы ЧПУ (лікавае кіраванне).

Падвойныя імпульсныя лазеры выкарыстоўваюць серыю пар імпульсаў для паляпшэння хуткасці выдалення матэрыялу і якасці адтулін.Па сутнасці, першы імпульс выдаляе матэрыял з паверхні, а другі прадухіляе прыліпанне выкіду да боку адтуліны або разрэзу [18].