Řezání laserem je technologie, která využívá laser k odpařování materiálů, což vede k řezné hraně.I když se obvykle používá pro průmyslové výrobní aplikace, nyní jej používají školy, malé podniky, architektura a fandové.Laserové řezání funguje tak, že výstup vysoce výkonného laseru je směrován nejčastěji přes optiku.K nasměrování laserového paprsku na materiál se používá laserová optika a CNC (počítačové numerické řízení).Komerční laser pro řezání materiálů používá systém řízení pohybu, který sleduje CNC nebo G-kód vzoru, který má být řezán na materiál.Zaostřený laserový paprsek je nasměrován na materiál, který se pak buď roztaví, shoří, vypaří se nebo je odfouknut proudem plynu[1] a zanechá okraj s vysoce kvalitní povrchovou úpravou.
Dějiny
V roce 1965 byl první sériový laserový řezací stroj použit k vrtání otvorů do diamantových matric.Tento stroj vyrobilo Western Electric Engineering Research Center.[3]V roce 1967 Britové propagovali řezání kovů pomocí laseru.[4]Na počátku 70. let byla tato technologie uvedena do výroby pro řezání titanu pro letecké aplikace.Současně byly CO2 lasery přizpůsobeny pro řezání nekovů, jako jsou textilie, protože v té době nebyly CO2 lasery dostatečně výkonné, aby překonaly tepelnou vodivost kovů.[5]
Proces
Průmyslové řezání oceli laserem s instrukcemi pro řezání naprogramovanými přes CNC rozhraní
Laserový paprsek je obecně zaostřován pomocí vysoce kvalitní čočky na pracovní zónu.Kvalita paprsku má přímý vliv na velikost zaostřeného bodu.Nejužší část zaostřeného paprsku má obecně průměr menší než 0,0125 palce (0,32 mm).V závislosti na tloušťce materiálu jsou možné šířky řezu až 0,004 palce (0,10 mm).[6]Aby bylo možné začít řezat odjinud než od okraje, provádí se před každým řezem propíchnutí.Piercing obvykle zahrnuje vysoce výkonný pulzní laserový paprsek, který pomalu vytvoří díru v materiálu, například u nerezové oceli o tloušťce 0,5 palce (13 mm) trvá přibližně 5–15 sekund.
Paralelní paprsky koherentního světla z laserového zdroje často spadají do rozsahu mezi 0,06–0,08 palce (1,5–2,0 mm) v průměru.Tento paprsek je normálně zaostřen a zesílen čočkou nebo zrcadlem na velmi malý bod asi 0,001 palce (0,025 mm), aby se vytvořil velmi intenzivní laserový paprsek.Aby bylo dosaženo co nejhladšího možného dokončení při řezání obrysu, musí se směr polarizace paprsku otáčet tak, jak prochází po obvodu tvarovaného obrobku.Pro řezání plechu je ohnisková vzdálenost obvykle 1,5–3 palce (38–76 mm).[7]
Mezi výhody řezání laserem oproti mechanickému řezání patří snadnější držení obrobku a snížené znečištění obrobku (neboť zde není řezná hrana, která by se mohla znečistit materiálem nebo materiál znečistit).Přesnost může být lepší, protože laserový paprsek se během procesu neopotřebovává.Existuje také snížená šance na deformaci materiálu, který je řezán, protože laserové systémy mají malou tepelně ovlivněnou zónu.[8]Některé materiály je také velmi obtížné nebo nemožné řezat tradičnějšími prostředky.
Laserové řezání kovů má oproti plazmovému řezání tu výhodu, že je přesnější[9] a spotřebovává méně energie při řezání plechu;většina průmyslových laserů však nedokáže proříznout větší tloušťku kovu než plazma.Novější laserové stroje pracující s vyšším výkonem (6 000 wattů, na rozdíl od dřívějších laserových řezacích strojů s výkonem 1 500 wattů) se blíží plazmovým strojům ve schopnosti řezat tlusté materiály, ale kapitálové náklady na takové stroje jsou mnohem vyšší než u plazmy. řezací stroje schopné řezat silné materiály, jako je ocelový plech.[10]
Typy
4000W CO2 laserová řezačka
Při řezání laserem se používají tři hlavní typy laserů.CO2 laser je vhodný pro řezání, vyvrtávání a gravírování.Neodymové (Nd) a neodymové yttrium-hliník-granátové (Nd:YAG) lasery jsou identické ve stylu a liší se pouze aplikací.Nd se používá pro vyvrtávání a tam, kde je vyžadována vysoká energie, ale nízké opakování.Nd:YAG laser se používá tam, kde je potřeba velmi vysoký výkon a pro vyvrtávání a gravírování.Ke svařování lze použít CO2 i Nd/Nd:YAG lasery.[11]
CO2 lasery se běžně „pumpují“ průchodem proudu směsí plynů (buzení stejnosměrným proudem) nebo pomocí radiofrekvenční energie (buzení RF).Metoda RF je novější a stala se populárnější.Protože konstrukce stejnosměrného proudu vyžadují elektrody uvnitř dutiny, mohou se setkat s erozí elektrod a pokovováním materiálu elektrod na skle a optice.Protože RF rezonátory mají externí elektrody, nejsou náchylné k těmto problémům.CO2 lasery se používají pro průmyslové řezání mnoha materiálů včetně titanu, nerezové oceli, měkké oceli, hliníku, plastu, dřeva, umělého dřeva, vosku, tkanin a papíru.YAG lasery se primárně používají pro řezání a rytí kovů a keramiky.[12]
Kromě zdroje energie může výkon ovlivnit také typ proudění plynu.Mezi běžné varianty CO2 laserů patří rychlý axiální tok, pomalý axiální tok, příčný tok a deska.V rezonátoru s rychlým axiálním prouděním cirkuluje směs oxidu uhličitého, helia a dusíku vysokou rychlostí pomocí turbíny nebo dmychadla.Lasery s příčným prouděním cirkulují směs plynu nižší rychlostí, což vyžaduje jednodušší dmychadlo.Deskou nebo difúzně chlazené rezonátory mají statické plynové pole, které nevyžaduje žádné tlakování nebo skleněné nádobí, což vede k úsporám na náhradních turbínách a skleněném nádobí.
Laserový generátor a vnější optika (včetně zaostřovací čočky) vyžadují chlazení.V závislosti na velikosti a konfiguraci systému může být odpadní teplo přenášeno chladivem nebo přímo do vzduchu.Voda je běžně používané chladivo, které obvykle cirkuluje přes chladič nebo systém přenosu tepla.
laser microjet je laser vedený vodním paprskem, ve kterém je pulzní laserový paprsek spojen s nízkotlakým vodním paprskem.To se používá k provádění funkcí řezání laserem při použití vodního paprsku k vedení laserového paprsku, podobně jako optické vlákno, úplným vnitřním odrazem.Výhodou toho je, že voda také odstraňuje nečistoty a ochlazuje materiál.Dalšími výhodami oproti tradičnímu „suchému“ řezání laserem jsou vysoké rychlosti řezání kostek, paralelní řez a všesměrové řezání.[13]
Vláknové lasery jsou typem pevnolátkového laseru, který se rychle rozvíjí v průmyslu řezání kovů.Na rozdíl od CO2 technologie Fiber využívá pevné médium pro zisk, na rozdíl od plynu nebo kapaliny.„Seed laser“ vytváří laserový paprsek a je poté zesílen ve skleněném vláknu.Vláknové lasery s vlnovou délkou pouhých 1064 nanometrů produkují extrémně malou velikost bodu (až 100krát menší ve srovnání s CO2), což je ideální pro řezání reflexních kovových materiálů.To je jedna z hlavních výhod Fiber ve srovnání s CO2.[14]
Mezi výhody vláknové laserové řezačky patří: -
Rychlé časy zpracování.
Snížená spotřeba energie a účty – díky vyšší účinnosti.
Větší spolehlivost a výkon – žádná optika k nastavování nebo vyrovnávání a žádná výměna žárovek.
Minimální údržba.
Schopnost zpracovávat vysoce reflexní materiály, jako je měď a mosaz
Vyšší produktivita – nižší provozní náklady nabízejí vyšší návratnost vaší investice.[15]
Metody
Existuje mnoho různých metod řezání pomocí laserů, přičemž různé typy se používají k řezání různých materiálů.Některé z metod jsou odpařování, tavení a vyfukování, vyfukování taveniny a vypalování, praskání tepelným napětím, rýhování, řezání za studena a řezání stabilizovaným laserem.
Řezání odpařováním
Při řezání odpařováním zaostřený paprsek zahřeje povrch materiálu na bod vzplanutí a vytvoří klíčovou dírku.Klíčová dírka vede k náhlému zvýšení absorpce a rychlému prohloubení dírky.Jak se díra prohlubuje a materiál se vaří, vznikající pára eroduje roztavené stěny, které se vymršťují ven a dále zvětšují díru.Touto metodou se obvykle řeže netavitelný materiál, jako je dřevo, uhlík a termosetové plasty.
Roztavit a foukat
Řezání tavením a vyfukováním nebo tavným řezáním využívá vysokotlaký plyn k vyfukování roztaveného materiálu z oblasti řezání, což výrazně snižuje spotřebu energie.Nejprve se materiál zahřeje na teplotu tání, poté proud plynu vyfoukne roztavený materiál ven ze zářezu, aniž by bylo nutné dále zvyšovat teplotu materiálu.Materiály řezané tímto procesem jsou obvykle kovy.
Praskání tepelným napětím
Křehké materiály jsou zvláště citlivé na tepelné lomy, což je vlastnost využívaná při praskání tepelným napětím.Paprsek je zaostřen na povrch, což způsobuje lokální zahřívání a tepelnou roztažnost.To má za následek trhlinu, která může být vedena pohybem paprsku.Trhlina se může pohybovat v řádu m/s.Obvykle se používá při řezání skla.
Stealth kostičky křemíkových plátků
Další informace: Oplatkové kostky
Separaci mikroelektronických čipů připravených při výrobě polovodičových součástek z křemíkových plátků lze provést takzvaným procesem stealth kostkování, který pracuje s pulzním Nd:YAG laserem, jehož vlnová délka (1064 nm) je dobře přizpůsobena elektronkám. zakázané pásmo křemíku (1,11 eV nebo 1117 nm).
Reaktivní řezání
Také nazývané „pálením stabilizované laserové řezání plynem“, „řezání plamenem“.Reaktivní řezání je jako řezání kyslíkovým hořákem, ale s laserovým paprskem jako zdrojem zapálení.Většinou se používá pro řezání uhlíkové oceli v tloušťkách nad 1 mm.Tento proces lze použít k řezání velmi silných ocelových plechů s relativně malým výkonem laseru.
Tolerance a povrchová úprava
Laserové řezačky mají přesnost polohování 10 mikrometrů a opakovatelnost 5 mikrometrů.
Standardní drsnost Rz se zvyšuje s tloušťkou plechu, ale klesá s výkonem laseru a řeznou rychlostí.Při řezání nízkouhlíkové oceli s výkonem laseru 800 W je standardní drsnost Rz 10 μm pro tloušťku plechu 1 mm, 20 μm pro 3 mm a 25 μm pro 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}}}}
Kde: {\displaystyle S=}S= tloušťka ocelového plechu v mm;{\displaystyle P=}P= výkon laseru v kW (některé nové laserové řezačky mají výkon laseru 4 kW);{\displaystyle V=}V= řezná rychlost v metrech za minutu.[16]
Tento proces je schopen udržet poměrně úzké tolerance, často do 0,001 palce (0,025 mm).Geometrie součásti a mechanická spolehlivost stroje mají hodně společného s tolerančními schopnostmi.Typická povrchová úprava vyplývající z řezání laserovým paprskem se může pohybovat od 125 do 250 mikropalců (0,003 mm až 0,006 mm).[11]
Konfigurace strojů
Dvoupaletový laser létající optiky
Laserová hlava létající optiky
Obecně existují tři různé konfigurace průmyslových laserových řezacích strojů: pohyblivý materiál, hybridní systémy a systémy létající optiky.Ty se týkají způsobu, jakým se laserový paprsek pohybuje nad materiálem, který má být řezán nebo zpracován.Pro všechny z nich jsou osy pohybu obvykle označeny jako osa X a Y.Pokud lze řezací hlavu ovládat, je označena jako osa Z.
Lasery s pohyblivým materiálem mají stacionární řezací hlavu a pohybují materiál pod ní.Tato metoda poskytuje konstantní vzdálenost od laserového generátoru k obrobku a jeden bod, ze kterého se odstraňuje řezný odpad.Vyžaduje to méně optiky, ale vyžaduje pohyb obrobku.Tento typ stroje má tendenci mít nejmenší počet optik pro dodávání paprsku, ale také bývá nejpomalejší.
Hybridní lasery poskytují stůl, který se pohybuje v jedné ose (obvykle osa X) a pohybuje hlavou podél kratší osy (Y).To má za následek konstantnější délku dráhy dodávání paprsku než u stroje s létající optikou a může umožnit jednodušší systém dodávání paprsku.To může mít za následek snížené ztráty výkonu v doručovacím systému a větší kapacitu na watt než stroje s létající optikou.
Lasery s létající optikou mají stacionární stůl a řezací hlavu (s laserovým paprskem), která se pohybuje nad obrobkem v obou horizontálních rozměrech.Frézy s letmou optikou udržují obrobek během zpracování v klidu a často nevyžadují upínání materiálu.Pohybující se hmota je konstantní, takže dynamika není ovlivněna měnící se velikostí obrobku.Stroje s letmou optikou jsou nejrychlejším typem, což je výhodné při řezání tenčích obrobků.[17]
Stroje s létající optikou musí používat nějakou metodu, aby vzaly v úvahu měnící se délku paprsku od řezání blízkého pole (blízko rezonátoru) po řezání vzdáleného pole (daleko od rezonátoru).Mezi běžné metody řízení patří kolimace, adaptivní optika nebo použití osy konstantní délky paprsku.
Pěti a šestiosé stroje také umožňují řezání tvarovaných obrobků.Kromě toho existují různé metody orientace laserového paprsku na tvarovaný obrobek, udržování správné ohniskové vzdálenosti a odstupu trysky atd.
Pulzující
Pulzní lasery, které poskytují na krátkou dobu vysokovýkonný výboj energie, jsou velmi účinné při některých procesech řezání laserem, zejména při děrování, nebo když jsou vyžadovány velmi malé otvory nebo velmi nízké řezné rychlosti, protože pokud by byl použit konstantní laserový paprsek, teplo by mohlo dosáhnout bodu roztavení celého řezaného kusu.
Většina průmyslových laserů má schopnost pulzovat nebo řezat CW (kontinuální vlna) pod NC (numerické řízení) programovým řízením.
Lasery s dvojitým pulzem používají řadu párů pulzů ke zlepšení rychlosti úběru materiálu a kvality otvoru.V podstatě první puls odstraňuje materiál z povrchu a druhý zabraňuje ejekci přilnout ke straně otvoru nebo řezu.[18]
Čas odeslání: 16. června 2022