Introducerea tăierii cu laser

Tăierea cu laser este o tehnologie care utilizează un laser pentru a vaporiza materialele, rezultând o margine tăiată.Deși este folosit de obicei pentru aplicații de producție industrială, este acum folosit de școli, întreprinderi mici, arhitectură și pasionați.Tăierea cu laser funcționează prin direcționarea ieșirii unui laser de mare putere cel mai frecvent prin optică.Optica laser și CNC (control numeric pe computer) sunt utilizate pentru a direcționa fasciculul laser către material.Un laser comercial pentru tăierea materialelor utilizează un sistem de control al mișcării pentru a urma un cod CNC sau G al modelului care urmează să fie tăiat pe material.Raza laser focalizată este îndreptată către material, care apoi fie se topește, arde, se vaporizează, fie este suflat de un jet de gaz[1], lăsând o margine cu un finisaj de înaltă calitate a suprafeței.

Istorie
În 1965, prima mașină de tăiat cu laser de producție a fost folosită pentru a găuri găuri în matrițele de diamant.Această mașină a fost realizată de Centrul de Cercetare Western Electric Engineering.[3]În 1967, britanicii au fost pionieri în tăierea cu jet de oxigen asistată cu laser pentru metale.[4]La începutul anilor 1970, această tehnologie a fost pusă în producție pentru a tăia titanul pentru aplicații aerospațiale.În același timp, laserele cu CO2 au fost adaptate pentru a tăia nemetale, cum ar fi textilele, deoarece, la acea vreme, laserele cu CO2 nu erau suficient de puternice pentru a depăși conductivitatea termică a metalelor.[5]

Proces

Tăiere industrială cu laser a oțelului cu instrucțiuni de tăiere programate prin interfața CNC
Raza laser este în general focalizată folosind o lentilă de înaltă calitate pe zona de lucru.Calitatea fasciculului are un impact direct asupra dimensiunii spotului focalizat.Cea mai îngustă parte a fasciculului focalizat are în general mai puțin de 0,0125 inchi (0,32 mm) în diametru.În funcție de grosimea materialului, sunt posibile lățimi de tăiere de până la 0,004 inchi (0,10 mm).[6]Pentru a putea începe tăierea din alt loc decât marginea, înainte de fiecare tăietură se face o străpungere.Piercing-ul implică, de obicei, un fascicul laser pulsat de mare putere care face lent o gaură în material, durand aproximativ 5-15 secunde pentru oțel inoxidabil cu grosimea de 0,5 inchi (13 mm), de exemplu.

Razele paralele de lumină coerentă de la sursa laser se încadrează adesea în intervalul între 0,06-0,08 inchi (1,5-2,0 mm) în diametru.Acest fascicul este în mod normal focalizat și intensificat de o lentilă sau o oglindă până la un punct foarte mic de aproximativ 0,001 inchi (0,025 mm) pentru a crea un fascicul laser foarte intens.Pentru a obține cea mai netedă finisare posibilă în timpul tăierii conturului, direcția de polarizare a fasciculului trebuie rotită pe măsură ce se învârte în jurul periferiei unei piese de prelucrat conturate.Pentru tăierea tablei, distanța focală este de obicei de 1,5–3 inchi (38–76 mm).[7]

Avantajele tăierii cu laser față de tăierea mecanică includ prinderea mai ușoară a lucrării și contaminarea redusă a piesei de prelucrat (din moment ce nu există muchie de tăiere care să poată fi contaminată de material sau să contamineze materialul).Precizia poate fi mai bună, deoarece fasciculul laser nu se uzează în timpul procesului.Există, de asemenea, o șansă redusă de deformare a materialului care este tăiat, deoarece sistemele laser au o zonă mică afectată de căldură.[8]Unele materiale sunt, de asemenea, foarte greu sau imposibil de tăiat prin mijloace mai tradiționale.

Tăierea cu laser pentru metale are avantajele față de tăierea cu plasmă de a fi mai precisă[9] și de a folosi mai puțină energie la tăierea tablei;cu toate acestea, majoritatea laserelor industriale nu pot tăia grosimea mai mare a metalului pe care o poate face plasma.Mașinile laser mai noi care funcționează la o putere mai mare (6000 de wați, spre deosebire de mașinile de tăiat cu laser timpurii de 1500 de wați) se apropie de mașinile cu plasmă în capacitatea lor de a tăia materiale groase, dar costul de capital al acestor mașini este mult mai mare decât cel al plasmei. mașini de tăiat capabile să taie materiale groase, cum ar fi placa de oțel.[10]

Tipuri

Cutter cu laser CO2 de 4000 W
Există trei tipuri principale de lasere utilizate în tăierea cu laser.Laserul CO2 este potrivit pentru tăiere, alezarea și gravare.Laserele cu neodim (Nd) și cu neodim ytriu-aluminiu-granat (Nd:YAG) sunt identice ca stil și diferă doar prin aplicare.Nd este folosit pentru plictisitor și acolo unde este nevoie de energie mare, dar repetiție redusă.Laserul Nd:YAG este utilizat acolo unde este nevoie de o putere foarte mare și pentru alezurire și gravare.Atât laserele CO2, cât și Nd/Nd:YAG pot fi utilizate pentru sudare.[11]

Laserele cu CO2 sunt în mod obișnuit „pompate” prin trecerea unui curent prin amestecul de gaze (excitate de curent continuu) sau folosind energie de radiofrecvență (excitate de RF).Metoda RF este mai nouă și a devenit mai populară.Deoarece modelele de curent continuu necesită electrozi în interiorul cavității, acestea pot întâlni erodarea electrozilor și placarea materialului electrodului pe sticlă și optică.Deoarece rezonatoarele RF au electrozi externi, ei nu sunt predispuși la aceste probleme.Laserele CO2 sunt utilizate pentru tăierea industrială a multor materiale, inclusiv titan, oțel inoxidabil, oțel moale, aluminiu, plastic, lemn, lemn de inginerie, ceară, țesături și hârtie.Laserele YAG sunt utilizate în principal pentru tăierea și însemnarea metalelor și ceramicii.[12]

Pe lângă sursa de alimentare, tipul de flux de gaz poate afecta și performanța.Variantele comune ale laserelor cu CO2 includ fluxul axial rapid, fluxul axial lent, fluxul transversal și placa.Într-un rezonator cu flux axial rapid, amestecul de dioxid de carbon, heliu și azot este vehiculat cu viteză mare de către o turbină sau o suflantă.Laserele cu flux transversal circulă amestecul de gaz cu o viteză mai mică, necesitând o suflantă mai simplă.Rezonatoarele răcite cu plăci sau prin difuzie au un câmp de gaz static care nu necesită presurizare sau sticlărie, ceea ce duce la economii la înlocuirea turbinelor și a articolelor din sticlă.

Generatorul laser și optica externă (inclusiv lentila de focalizare) necesită răcire.În funcție de dimensiunea și configurația sistemului, căldura reziduală poate fi transferată de un lichid de răcire sau direct în aer.Apa este un lichid de răcire utilizat în mod obișnuit, de obicei circulat printr-un răcitor sau un sistem de transfer de căldură.

laser microjet este un laser ghidat cu jet de apă în care un fascicul laser pulsat este cuplat într-un jet de apă de joasă presiune.Acesta este folosit pentru a efectua funcții de tăiere cu laser în timp ce utilizați jetul de apă pentru a ghida fasciculul laser, la fel ca o fibră optică, prin reflexia internă totală.Avantajele acestui lucru sunt că apa îndepărtează și resturile și răcește materialul.Avantajele suplimentare față de tăierea tradițională cu laser „uscata” sunt vitezele mari de tăiere, tăierea paralelă și tăierea omnidirecțională.[13]

Laserele cu fibră sunt un tip de laser cu stare solidă care crește rapid în industria de tăiere a metalelor.Spre deosebire de CO2, tehnologia Fiber folosește un mediu de câștig solid, spre deosebire de un gaz sau lichid.„Laserul de semințe” produce fasciculul laser și este apoi amplificat într-o fibră de sticlă.Cu o lungime de undă de numai 1064 de nanometri, laserele cu fibră produc o dimensiune a spotului extrem de mică (de până la 100 de ori mai mică în comparație cu CO2), făcându-l ideal pentru tăierea materialului metalic reflectorizant.Acesta este unul dintre principalele avantaje ale fibrei în comparație cu CO2.[14]

Beneficiile tăietorului cu laser cu fibre includ: -

Timpi de procesare rapid.
Consum redus de energie și facturi – datorită eficienței mai mari.
Fiabilitate și performanță mai mari – fără optică de reglat sau aliniat și fără lămpi de înlocuit.
Întreținere minimă.
Capacitatea de a procesa materiale foarte reflectorizante, cum ar fi cuprul și alama
Productivitate mai mare – costurile operaționale mai mici oferă o rentabilitate mai mare a investiției dumneavoastră.[15]

Metode
Există multe metode diferite de tăiere folosind lasere, cu diferite tipuri utilizate pentru a tăia diferite materiale.Unele dintre metodele sunt vaporizarea, topirea și suflarea, topirea suflarea și arderea, fisurarea prin stres termic, scrierea, tăierea la rece și tăierea cu laser stabilizată la ardere.

Tăiere prin vaporizare
La tăierea prin vaporizare, fasciculul focalizat încălzește suprafața materialului până la punctul de aprindere și generează o gaură a cheii.Gaura cheii duce la o creștere bruscă a absorbției, adâncind rapid gaura.Pe măsură ce gaura se adâncește și materialul fierbe, vaporii generați erodează pereții topiți, ejectând în aer și mărind și mai mult gaura.Materialele care nu se topesc, cum ar fi lemnul, carbonul și materialele plastice termorigide sunt de obicei tăiate prin această metodă.
Topiți și suflați
Tăierea prin topire și suflare sau prin topire utilizează gaz de înaltă presiune pentru a sufla materialul topit din zona de tăiere, scăzând foarte mult necesarul de putere.Mai întâi materialul este încălzit până la punctul de topire, apoi un jet de gaz elimină materialul topit din tăietură, evitând nevoia de a crește temperatura materialului în continuare.Materialele tăiate prin acest proces sunt de obicei metale.

Fisurarea prin stres termic
Materialele fragile sunt deosebit de sensibile la fractura termică, o caracteristică exploatată în fisurarea prin efort termic.Un fascicul este focalizat pe suprafață, provocând încălzire localizată și dilatare termică.Acest lucru are ca rezultat o fisură care poate fi apoi ghidată prin mișcarea grinzii.Fisura poate fi deplasata in ordinea m/s.Este de obicei folosit la tăierea sticlei.

Tăiere ascunsă a plachetelor de siliciu
Informații suplimentare: Taierea napolitanelor
Separarea cipurilor microelectronice, așa cum sunt preparate în fabricarea dispozitivelor semiconductoare din plachete de siliciu, poate fi realizată prin așa-numitul proces de tăiere ascunsă, care funcționează cu un laser Nd:YAG în impulsuri, a cărui lungime de undă (1064 nm) este bine adaptată la electronica. banda interzisă de siliciu (1,11 eV sau 1117 nm).

Tăiere reactivă
De asemenea, numită „tăiere cu gaz stabilizat cu ardere”, „tăiere cu flacără”.Tăierea reactivă este ca tăierea cu pistolul cu oxigen, dar cu un fascicul laser ca sursă de aprindere.Folosit în principal pentru tăierea oțelului carbon cu grosimi de peste 1 mm.Acest proces poate fi folosit pentru a tăia plăci de oțel foarte groase, cu o putere relativ mică a laserului.

Toleranțele și finisarea suprafeței
Dispozitivele de tăiere cu laser au o precizie de poziționare de 10 micrometri și o repetabilitate de 5 micrometri.

Rugozitatea standard Rz crește odată cu grosimea tablei, dar scade odată cu puterea laserului și viteza de tăiere.La tăierea oțelului cu conținut scăzut de carbon cu o putere laser de 800 W, rugozitatea standard Rz este de 10 μm pentru grosimea tablei de 1 mm, 20 μm pentru 3 mm și 25 μm pentru 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}}}}
Unde: {\displaystyle S=}S= grosimea tablei de oțel în mm;{\displaystyle P=}P= puterea laserului în kW (unele freze laser noi au o putere laser de 4 kW);{\displaystyle V=}V= viteza de tăiere în metri pe minut.[16]

Acest proces este capabil să mențină toleranțe destul de strânse, adesea până la 0,001 inchi (0,025 mm).Geometria pieselor și soliditatea mecanică a mașinii au mult de-a face cu capacitățile de toleranță.Finisajul obișnuit al suprafeței care rezultă din tăierea cu fascicul laser poate varia de la 125 la 250 de micro-inchi (0,003 mm la 0,006 mm).[11]

Configurații de mașini

Laser optic zburător cu paleți duali

Cap laser cu optică zburătoare
În general, există trei configurații diferite de mașini de tăiat cu laser industriale: materiale în mișcare, sisteme hibride și sisteme optice zburătoare.Acestea se referă la modul în care raza laser este deplasată peste materialul care urmează să fie tăiat sau prelucrat.Pentru toate acestea, axele de mișcare sunt de obicei desemnate axe X și Y.Dacă capul de tăiere poate fi controlat, acesta este desemnat ca axa Z.

Laserele cu materiale în mișcare au un cap de tăiere staționar și mută materialul sub acesta.Această metodă oferă o distanță constantă de la generatorul laser la piesa de prelucrat și un singur punct din care să se elimine efluentul de tăiere.Necesită mai puțină optică, dar necesită mutarea piesei de prelucrat.Această mașină de stil tinde să aibă cele mai puține optice de difuzare a fasciculului, dar tinde să fie și cea mai lentă.

Laserele hibride oferă o masă care se mișcă într-o singură axă (de obicei axa X) și mișcă capul de-a lungul axei mai scurte (Y).Acest lucru are ca rezultat o lungime a traseului de livrare a fasciculului mai constantă decât o mașină optică zburătoare și poate permite un sistem de livrare a fasciculului mai simplu.Acest lucru poate duce la o pierdere de putere redusă în sistemul de livrare și o capacitate mai mare pe watt decât mașinile optice zburătoare.

Laserele optice zburătoare au o masă staționară și un cap de tăiere (cu fascicul laser) care se deplasează peste piesa de prelucrat în ambele dimensiuni orizontale.Frezele optice zburătoare mențin piesa de prelucrat staționară în timpul prelucrării și adesea nu necesită prindere material.Masa în mișcare este constantă, astfel încât dinamica nu este afectată de dimensiunea variabilă a piesei de prelucrat.Mașinile optice zburătoare sunt cele mai rapide, ceea ce este avantajos atunci când tăiați piese mai subțiri.[17]

Mașinile optice zburătoare trebuie să folosească o anumită metodă pentru a ține cont de schimbarea lungimii fasciculului de la tăierea în câmp apropiat (aproape de rezonator) la tăierea în câmp îndepărtat (departe de rezonator).Metodele obișnuite pentru a controla acest lucru includ colimația, optica adaptivă sau utilizarea unei axe cu lungime constantă a fasciculului.

Mașinile cu cinci și șase axe permit, de asemenea, tăierea pieselor formate.În plus, există diferite metode de orientare a fasciculului laser către o piesă de prelucrat modelată, menținerea unei distanțe de focalizare adecvate și a distanței duzei etc.

Pulsând
Laserele pulsate care furnizează o explozie de energie de mare putere pentru o perioadă scurtă sunt foarte eficiente în unele procese de tăiere cu laser, în special pentru perforare, sau atunci când sunt necesare găuri foarte mici sau viteze de tăiere foarte mici, deoarece dacă s-a folosit un fascicul laser constant, căldura ar putea ajunge la punctul de topire a întregii piese tăiate.

Majoritatea laserelor industriale au capacitatea de a pulsa sau de a tăia CW (undă continuă) sub controlul programului NC (control numeric).

Laserele cu impuls dublu folosesc o serie de perechi de impulsuri pentru a îmbunătăți rata de îndepărtare a materialului și calitatea găurilor.În esență, primul impuls îndepărtează materialul de pe suprafață, iar cel de-al doilea împiedică ejecta să adere pe partea laterală a găurii sau a tăierii.[18]