CIĘCIE LASEROWE: OD PIERWSZYCH ZASAD DO STANU SZTUKI

Abstrakcyjny

  W niniejszym artykule przedstawiono przegląd przedmiotu cięcia laserowego. Badane tematy obejmują; Interakcje laser-materiał, różne typy laserów, techniczny i handlowy wzrost cięcia laserowego i stan techniki.

Pierwsze zasady

Większość cięcia laserowego odbywa się za pomocą laserów CO2 lub Nd: YAG. Ogólne zasady cięcia są podobne dla obu rodzajów laserów, chociaż lasery CO2 dominują na rynku z powodów, które zostaną omówione w dalszej części artykułu. Podstawowy mechanizm cięcia laserowego jest niezwykle prosty i można go podsumować w następujący sposób:

1. Wysoka wiązka światła podczerwonego jest generowana przez laser.

2. Ta wiązka jest skupiana na powierzchni przedmiotu obrabianego za pomocą soczewki.

3. Skoncentrowana wiązka ogrzewa materiał i ustanawia bardzo lokalny stop (ogólnie mniejszy niż 0,5 mm średnicy) na całej głębokości arkusza.

4. Stopiony materiał jest wyrzucany z obszaru przez strumień sprężonego gazu działający współosiowo z wiązką laserową, jak pokazano na rys. 1. (Uwaga: w przypadku niektórych materiałów ten strumień gazu może przyspieszyć proces cięcia, wykonując zarówno prace chemiczne, jak i fizyczne. Na przykład, węgiel lub stal miękka są zwykle cięte strumieniem czystego tlenu, a proces utleniania zainicjowany przez ogrzewanie laserowe wytwarza własne ciepło, co znacznie zwiększa efektywność procesu.

5. Ten zlokalizowany obszar usuwania materiału przesuwa się po powierzchni arkusza, generując cięcie. Ruch osiąga się przez manipulację skupionej plamki lasera (przez lustra CNC) lub przez mechaniczne przesunięcie arkusza na stole CNC X-Y. Systemy "hybrydowe" są również dostępne tam, gdzie materiał porusza się w jednej osi, a plamka lasera przemieszcza się w drugiej. W pełni zautomatyzowane systemy są dostępne do profilowania trójwymiarowych kształtów. Lasery Nd: YAG mogą wykorzystywać raczej włókna optyczne niż lustra, ale ta opcja nie jest dostępna dla lasera CO2 o dłuższej długości fali.

  Rysunek 1. Schemat cięcia laserem. Mocowanie obiektywu lub dysza (lub obie) można regulować od lewej do prawej lub do iz płaszczyzny szkicu. Umożliwia to centralizację wiązki skupionej za pomocą dyszy. Można również ustawić pionową odległość między dyszą a soczewką. Zanim przejdziemy do bardziej szczegółowego opisu procesu cięcia, teraz jest dobry moment na podsumowanie zalet cięcia laserowego.

A. Proces tnie z dużą prędkością w porównaniu do innych metod profilowania. Na przykład laser CO2 o mocy 1500 W będzie ścinał miękką stal o grubości 2 mm przy 7,5mmin-1. Ta sama maszyna będzie ciąć arkusz akrylowy o grubości 5 mm przy ~ 12mmin-1.

B. W większości przypadków (np. W dwóch przykładach podanych powyżej) cięte komponenty będą gotowe do pracy natychmiast po zakończeniu cięcia bez późniejszego czyszczenia.

C. Szerokość cięcia (szerokość rzazu) jest wyjątkowo wąska (zwykle od 0,1 do 1,0 mm). Bardzo szczegółowe prace można wykonywać bez ograniczeń minimalnego wewnętrznego promienia narzuconego przez frezarki i podobne metody mechaniczne.

D. Proces może być w pełni sterowany CNC. W połączeniu z brakiem konieczności wykonywania skomplikowanych ustaleń w zakresie osadzania, oznacza to, że zmiana pracy z elementu tnącego "A" ze stali na element tnący "B" z polimeru może zostać przeprowadzona w ciągu kilku sekund. (Uwaga: Lasery Nd: YAG nie mogą przecinać większości tworzyw sztucznych, ponieważ są przezroczyste dla światła laserowego Nd: YAG).

E. Chociaż cięcie laserowe jest procesem termicznym, faktyczny obszar ogrzewany przez laser jest bardzo mały i większość tego nagrzanego materiału jest usuwana podczas cięcia. Tak więc, moc cieplna do masy materiału jest bardzo niska, strefy wpływu ciepła są zminimalizowane i ogólnie unika się zniekształceń termicznych.

F. Jest to proces bezkontaktowy, co oznacza, że ​​materiał musi być lekko zaciśnięty lub tylko umieszczony pod belką. Elastyczne lub cienkie materiały mogą być cięte z dużą precyzją i nie zniekształcają się podczas cięcia, tak jak w przypadku cięcia metodami mechanicznymi.

G. Ze względu na charakterystykę CNC procesu, wąskość szerokości kefta i brak siły mechanicznej na ciętym arkuszu, elementy mogą być ustawione tak, aby "gniazdować" bardzo blisko siebie. W związku z tym odpady materiałowe można zredukować do minimum. W niektórych przypadkach zasada ta może zostać przedłużona, aż do momentu, gdy nie będzie żadnych materiałów odpadowych pomiędzy podobnymi krawędziami sąsiednich elementów.

H. Chociaż koszt inwestycyjny maszyny do cięcia laserowego jest znaczny, koszty eksploatacji są generalnie niskie. Wiele przypadków przemysłowych istnieje tam, gdzie duża instalacja opłaca się w niecały rok.

I. Proces jest wyjątkowo cichy w porównaniu do konkurencyjnych technik, co poprawia środowisko pracy i wydajność lub personel operacyjny.

J. Urządzenia do cięcia laserowego są wyjątkowo bezpieczne w użyciu w porównaniu do wielu ich mechanicznych odpowiedników.

Porównanie CO2 i Nd:

  Cięcie laserowe YAG. Lasery CO2 i Nd: YAG generują wiązki o wysokiej intensywności światła podczerwonego, które można skupić i wykorzystać do cięcia.

  Znacznie mniej laserów Nd: YAG sprzedawanych jest jako maszyny do cięcia w porównaniu z laserem CO2. Wynika to z faktu, że w przypadku ogólnych zastosowań cięcia laser CO2 jest najbardziej skuteczny. Lasery Nd: YAG są tylko preferowane:

A. Jeśli wymagana jest bardzo dokładna, szczegółowa obróbka materiału o cienkich przekrojach.

B. Jeżeli materiały o wysokim współczynniku odbicia, takie jak miedź lub stopy srebra, należy regularnie ciąć

LUB

C. Jeżeli światłowód ma być używany do transportu wiązki laserowej do przedmiotu obrabianego.

  Chociaż oba lasery CO2 i Nd: YAG wytwarzają światło podczerwone, długość fali lasera CO2 jest dziesięciokrotnie większa niż w przypadku urządzeń Nd: YAG (odpowiednio 10,6 mikrona i 1,06 mikronów). Ponieważ światło laserowe Nd: YAG ma krótszą długość fali, ma trzy zalety w stosunku do światła lasera CO2:

1. Światło lasera Nd: YAG może być skupione na mniejszej plamce * niż światło lasera CO2. Oznacza to, że można uzyskać dokładniejsze, bardziej szczegółowe prace (np. Ozdobne wskazówki zegara).

2. Światło laserowe Nd: YAG słabiej odbija się od powierzchni metalowych. Z tego powodu lasery Nd: YAG nadają się do pracy z wysoce refleksyjnymi metalami, takimi jak srebro.

3. Światło Nd: YAG może przemieszczać się przez szkło (światło CO2 nie może). Oznacza to, że można zastosować wysokiej jakości soczewki szklane, aby skupić wiązkę w dół do minimalnego rozmiaru plamki *. Również kwarcowe włókna optyczne mogą być stosowane do przenoszenia belki na stosunkowo duże odległości do obrabianego przedmiotu. Doprowadziło to do powszechnego stosowania laserów Nd: YAG na liniach produkcyjnych samochodów, gdzie dostępna przestrzeń na liniach jest na wagę złota.

* Uwaga: Jeśli zostanie użyte włókno światłowodowe, zdolność światła lasera Nd: YAG do zogniskowania w bardzo małym punkcie może zostać utracona, jeśli średnia moc jest powyżej 100 watów. Skoncentrowana wielkość plamki po przejściu przez światłowód może być większa niż plamka lasera CO2

  Światło lasera Nd: YAG o krótszej długości fali ma również jedną zasadniczą wadę:

1. Większość materiałów organicznych (np. Tworzywa sztuczne, produkty drewnopochodne, skóra, naturalne gumy itp.) Są przezroczyste dla światła laserowego Nd: YAG. Z tego powodu nie mogą być cięte laserem Nd: YAG. Jeśli moc lasera jest niska lub rozmiar zogniskowanej plamki jest duży, światło przechodzi przez materiał bez podgrzania go wystarczająco, aby go przyciąć. Jeśli intensywność wiązki laserowej zostanie zwiększona, zwiększając moc lub zmniejszając rozmiar plamki, materiał w końcu zareaguje miejscową eksplozją, która może spowodować rozdarcie lub dziurę.

  Sytuacja w przypadku nieorganicznych niemetali (na przykład ceramiki, szkła, węgla itp.) Jest dość złożona. Lasery CO2 można wykorzystać do cięcia dużej części tych materiałów, ale po raz kolejny maszyny Nd: YAG mogą napotkać problemy z przezroczystością materiałów (dotyczy to na przykład szkła i kwarcu). Jednym z osiągnięć obu rodzajów lasera jest profilowanie ceramicznych podłoży dla przemysłu elektronicznego. W niektórych przypadkach nieorganiczne wypełniacze stosowane do barwienia lub utwardzania tworzyw sztucznych mogą nadawać się do cięcia Nd: YAG. Zasadniczo jednak cięcie polimerów odbywa się wyłącznie za pomocą laserów CO2.

  Podsumowując, lasery Nd: YAG mogą być używane do cięcia drobnych szczegółów lub mogą być używane z włóknem światłowodowym, w którym to przypadku drobne szczegóły nie będą możliwe (z wyjątkiem cięcia folii lub cienkich masek przy niższej mocy). Są one szczególnie odpowiednie do cięcia stopów o wysokiej zdolności odbijania, ale nie mogą ciąć wielu niemetali.

  Lasery CO2, z drugiej strony, są zwykle tańszą drogą produkcyjną i dlatego są preferowane do ogólnych celów inżynieryjnych. Lasery CO2 mają także tę zaletę, że mogą ciąć szerszy zakres materiałów, od metali po polimery i drewno.

Mechanizmy tnące

  Mechanizmy tnące umożliwiają cięcie laserem materiałów za pomocą różnych mechanizmów opisanych poniżej. Podtytuł do każdego mechanizmu skrawania zawiera wzmiankę o grupach ciętych materiałów i o tym, który z laserów jest zaangażowany.

  Cięcie stopu lub cięcie termojądrowe (większość metali i termoplastów - lasery CO2 i Nd: YAG)

  Figura 2 jest schematem procesu ścinania stopu lub cięcia termojądrowego. (Nazywany również "cięcie gazem obojętnym"). [1] W tym przypadku skupiona wiązka laserowa topi obrabiany przedmiot, a wytop jest wyrzucany z dna cięcia przezmechaniczne działanie strumienia gazu tnącego. Materiały cięte w ten sposób obejmują większość tych, które można stopić, tj. Metale i tworzywa termoplastyczne. Aby laserowo wycinać te materiały z powodzeniem, musimy wybrać nasz gaz do cięciatyp i ciśnienie ostrożnie.

  Rodzaj gazu tnącego dobiera się w zależności od reaktywnego charakteru ciętego materiału, tj.

  Stopione tworzywa termoplastyczne nie reagują chemicznie z azotem lub tlenem, a więc sprężone powietrze może być wykorzystywane jako gaz skrawający.

Stopiona stal nierdzewna reaguje z tlenem, ale nie z azotem, więc w tym przypadku stosuje się azot.

  Stopiony tytan reaguje z tlenem lub azotem, a więc argon (który jest chemicznie obojętny) jest używany jako gaz skrawający.

  Ciśnienie stosowanego gazu zależy również od ciętych materiałów, tj. Usunięcie stopionego polimeru ze strefy cięcia (przy cięciu na przykład nylonu) nie wymaga strumienia gazu pod wysokim ciśnieniem, a zatem ciśnienie zasilania doGłowica tnąca może być w zakresie 2-6 bar. Z drugiej strony stopiona stal nierdzewna wymaga znacznie większego mechanicznego nacisku, aby usunąć ją ze strefy cięcia, a zatem zastosowane ciśnienia zasilania mieszczą się w zakresie 8-14 barów (wymagane ciśnienie wzrasta wraz z grubością stali).