Laserové rezanie je technológia, ktorá využíva laser na odparovanie materiálov, výsledkom čoho je rezná hrana.Zatiaľ čo sa zvyčajne používa na priemyselné výrobné aplikácie, teraz ho používajú školy, malé podniky, architektúra a fanúšikovia.Laserové rezanie funguje tak, že výstup vysokovýkonného lasera je smerovaný najčastejšie cez optiku.Laserová optika a CNC (počítačové numerické riadenie) sa používajú na nasmerovanie laserového lúča na materiál.Komerčný laser na rezanie materiálov využíva systém riadenia pohybu na sledovanie CNC alebo G-kódu vzoru, ktorý sa má narezať na materiál.Zaostrený laserový lúč je nasmerovaný na materiál, ktorý sa potom topí, horí, vyparuje alebo je odfúknutý prúdom plynu[1], pričom zanecháva hranu s vysokokvalitnou povrchovou úpravou.
História
V roku 1965 bol prvý produkčný laserový rezací stroj použitý na vŕtanie otvorov do diamantových razidiel.Tento stroj vyrobilo Western Electric Engineering Research Center.[3]V roku 1967 Briti propagovali laserové rezanie kovov pomocou kyslíkového lúča.[4]Začiatkom 70. rokov bola táto technológia uvedená do výroby na rezanie titánu pre letecké aplikácie.Súčasne boli CO2 lasery prispôsobené na rezanie nekovov, ako sú textílie, pretože v tom čase CO2 lasery neboli dostatočne výkonné na to, aby prekonali tepelnú vodivosť kovov.[5]
Proces
Priemyselné laserové rezanie ocele s inštrukciami rezania naprogramovanými cez CNC rozhranie
Laserový lúč je vo všeobecnosti zaostrený pomocou vysokokvalitnej šošovky na pracovnú zónu.Kvalita lúča má priamy vplyv na veľkosť zaostreného bodu.Najužšia časť zaostreného lúča má všeobecne priemer menší ako 0,0125 palca (0,32 mm).V závislosti od hrúbky materiálu sú možné šírky zárezu až 0,004 palca (0,10 mm).[6]Aby bolo možné začať rezať odinakiaľ ako od okraja, pred každým rezom sa robí piercing.Piercing zvyčajne zahŕňa vysokovýkonný pulzný laserový lúč, ktorý pomaly vytvorí dieru v materiáli, napríklad v prípade nehrdzavejúcej ocele s hrúbkou 0,5 palca (13 mm) trvá približne 5 až 15 sekúnd.
Paralelné lúče koherentného svetla z laserového zdroja často spadajú do rozsahu medzi 0,06 – 0,08 palca (1,5 – 2,0 mm) v priemere.Tento lúč je normálne zaostrený a zosilnený šošovkou alebo zrkadlom na veľmi malý bod asi 0,001 palca (0,025 mm), čím sa vytvorí veľmi intenzívny laserový lúč.Na dosiahnutie čo najhladšieho dokončenia pri rezaní obrysu sa musí smer polarizácie lúča otáčať, keď ide po obvode tvarovaného obrobku.Pri rezaní plechu je ohnisková vzdialenosť zvyčajne 1,5–3 palce (38–76 mm).[7]
Medzi výhody rezania laserom oproti mechanickému rezaniu patrí jednoduchšie uchytenie obrobku a znížená kontaminácia obrobku (pretože neexistuje žiadna rezná hrana, ktorá by sa mohla znečistiť materiálom alebo znečistiť materiál).Presnosť môže byť lepšia, pretože laserový lúč sa počas procesu neopotrebováva.Existuje tiež znížená šanca na deformáciu materiálu, ktorý je rezaný, pretože laserové systémy majú malú zónu ovplyvnenú teplom.[8]Niektoré materiály je tiež veľmi ťažké alebo nemožné rezať tradičnejšími prostriedkami.
Laserové rezanie kovov má oproti plazmovému rezaniu tú výhodu, že je presnejšie[9] a pri rezaní plechu spotrebuje menej energie;väčšina priemyselných laserov však nedokáže prerezať väčšiu hrúbku kovu ako plazma.Novšie laserové stroje pracujúce pri vyššom výkone (6 000 wattov, na rozdiel od skorších laserových rezacích strojov s výkonom 1 500 wattov) sa približujú plazmovým strojom v ich schopnosti rezať hrubé materiály, ale kapitálové náklady na takéto stroje sú oveľa vyššie ako na plazmové rezacie stroje schopné rezať hrubé materiály, ako je oceľový plech.[10]
Typy
4000W CO2 laserová rezačka
Pri rezaní laserom sa používajú tri hlavné typy laserov.CO2 laser je vhodný na rezanie, vyvrtávanie a gravírovanie.Neodymové (Nd) a neodymové ytrium-hliníkové-granátové (Nd:YAG) lasery sú štýlovo identické a líšia sa iba aplikáciou.Nd sa používa na vyvrtávanie a tam, kde sa vyžaduje vysoká energia, ale nízka úroveň opakovania.Nd:YAG laser sa používa tam, kde je potrebný veľmi vysoký výkon a na vyvrtávanie a gravírovanie.Na zváranie je možné použiť CO2 aj Nd/Nd:YAG lasery.[11]
CO2 lasery sa bežne „čerpajú“ prechodom prúdu cez zmes plynov (budené jednosmerným prúdom) alebo využívajú rádiofrekvenčnú energiu (budené RF).Metóda RF je novšia a stala sa populárnejšou.Pretože konštrukcie s jednosmerným prúdom vyžadujú elektródy vo vnútri dutiny, môžu sa stretnúť s eróziou elektród a pokovovaním materiálu elektród na skle a optike.Pretože RF rezonátory majú externé elektródy, nie sú náchylné na tieto problémy.CO2 lasery sa používajú na priemyselné rezanie mnohých materiálov vrátane titánu, nehrdzavejúcej ocele, mäkkej ocele, hliníka, plastov, dreva, upraveného dreva, vosku, látok a papiera.YAG lasery sa primárne používajú na rezanie a rytie kovov a keramiky.[12]
Okrem zdroja energie môže výkon ovplyvniť aj typ prietoku plynu.Bežné varianty CO2 laserov zahŕňajú rýchly axiálny tok, pomalý axiálny tok, priečny tok a dosku.V rýchlom axiálnom prietokovom rezonátore cirkuluje zmes oxidu uhličitého, hélia a dusíka vysokou rýchlosťou pomocou turbíny alebo dúchadla.Lasery s priečnym prúdením cirkulujú zmes plynov nižšou rýchlosťou, čo si vyžaduje jednoduchšie dúchadlo.Doskové alebo difúzne chladené rezonátory majú statické plynové pole, ktoré nevyžaduje žiadne tlakovanie alebo sklenený tovar, čo vedie k úsporám na náhradných turbínach a sklenenom tovare.
Laserový generátor a externá optika (vrátane zaostrovacej šošovky) vyžadujú chladenie.V závislosti od veľkosti a konfigurácie systému môže byť odpadové teplo prenášané chladivom alebo priamo do vzduchu.Voda je bežne používané chladivo, ktoré zvyčajne cirkuluje cez chladič alebo systém prenosu tepla.
laser microjet je vodným lúčom vedený laser, v ktorom je pulzný laserový lúč spojený s nízkotlakovým vodným lúčom.Používa sa na vykonávanie funkcií laserového rezania pri použití vodného lúča na vedenie laserového lúča, podobne ako optické vlákno, cez úplný vnútorný odraz.Výhodou je, že voda odstraňuje aj nečistoty a ochladzuje materiál.Ďalšími výhodami oproti tradičnému „suchému“ rezaniu laserom sú vysoké rýchlosti rezania kociek, paralelný rez a všesmerové rezanie.[13]
Vláknové lasery sú typom polovodičového lasera, ktorý rýchlo rastie v odvetví rezania kovov.Na rozdiel od CO2, technológia Fiber využíva tuhé médium na zisk, na rozdiel od plynu alebo kvapaliny.„Semenný laser“ vytvára laserový lúč a potom je zosilnený v sklenenom vlákne.S vlnovou dĺžkou iba 1064 nanometrov vytvárajú vláknové lasery extrémne malú veľkosť bodu (až 100-krát menšiu v porovnaní s CO2), vďaka čomu sú ideálne na rezanie reflexných kovových materiálov.To je jedna z hlavných výhod Fiber v porovnaní s CO2.[14]
Výhody vláknového laserového rezača zahŕňajú: -
Rýchle časy spracovania.
Znížená spotreba energie a účty – vďaka vyššej účinnosti.
Vyššia spoľahlivosť a výkon – žiadna optika na nastavovanie alebo zarovnávanie a žiadne výmeny lámp.
Minimálna údržba.
Schopnosť spracovávať vysoko reflexné materiály ako meď a mosadz
Vyššia produktivita – nižšie prevádzkové náklady ponúkajú vyššiu návratnosť vašej investície.[15]
Metódy
Existuje mnoho rôznych metód rezania pomocou laserov, pričom rôzne typy sa používajú na rezanie rôznych materiálov.Niektoré z metód sú odparovanie, tavenie a vyfukovanie, vyfukovanie a vypaľovanie taveniny, praskanie tepelným napätím, ryhovanie, rezanie za studena a rezanie laserom stabilizované horením.
Rezanie odparovaním
Pri rezaní odparovaním zaostrený lúč zahrieva povrch materiálu na bod vzplanutia a vytvára kľúčovú dierku.Kľúčová dierka vedie k náhlemu zvýšeniu nasiakavosti a rýchlemu prehĺbeniu otvoru.Ako sa diera prehlbuje a materiál vrie, vytváraná para eroduje roztavené steny, ktoré sa vyvrhujú von a ďalej zväčšujú dieru.Touto metódou sa zvyčajne režú netaviteľné materiály, ako je drevo, uhlík a termosetové plasty.
Roztopiť a fúkať
Tavné a vyfukovacie alebo tavné rezanie využíva vysokotlakový plyn na vyfukovanie roztaveného materiálu z oblasti rezu, čím sa výrazne znižuje potreba energie.Najprv sa materiál zahreje na teplotu topenia, potom prúd plynu vyfúkne roztavený materiál von zo zárezu, čím sa zabráni ďalšiemu zvyšovaniu teploty materiálu.Materiály rezané týmto procesom sú zvyčajne kovy.
Trhanie tepelným napätím
Krehké materiály sú obzvlášť citlivé na tepelné lomy, čo je vlastnosť využívaná pri praskaní tepelným napätím.Lúč je zaostrený na povrch, čo spôsobuje lokálne zahrievanie a tepelnú rozťažnosť.To má za následok trhlinu, ktorá môže byť potom vedená pohybom lúča.Trhlina sa môže pohybovať rádovo v m/s.Zvyčajne sa používa pri rezaní skla.
Stealth krájanie kremíkových plátkov
Ďalšie informácie: Oblátky nakrájané na kocky
Separáciu mikroelektronických čipov pripravených pri výrobe polovodičových zariadení z kremíkových doštičiek možno vykonať takzvaným procesom stealth dicing, ktorý pracuje s pulzným Nd:YAG laserom, ktorého vlnová dĺžka (1064 nm) je dobre prispôsobená elektronike. zakázané pásmo kremíka (1,11 eV alebo 1117 nm).
Reaktívne rezanie
Tiež sa nazýva „rezanie laserovým plynom stabilizovaným horením“, „rezanie plameňom“.Reaktívne rezanie je ako rezanie kyslíkovým horákom, ale s laserovým lúčom ako zdrojom vznietenia.Väčšinou sa používa na rezanie uhlíkovej ocele s hrúbkou nad 1 mm.Tento proces možno použiť na rezanie veľmi hrubých oceľových plechov s relatívne malým výkonom lasera.
Tolerancie a povrchová úprava
Laserové rezačky majú presnosť polohovania 10 mikrometrov a opakovateľnosť 5 mikrometrov.
Štandardná drsnosť Rz sa zvyšuje s hrúbkou plechu, ale klesá s výkonom lasera a rýchlosťou rezania.Pri rezaní nízkouhlíkovej ocele s výkonom lasera 800 W je štandardná drsnosť Rz 10 μm pre hrúbku plechu 1 mm, 20 μm pre 3 mm a 25 μm pre 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= hrúbka oceľového plechu v mm;{\displaystyle P=}P= výkon lasera v kW (niektoré nové laserové rezačky majú výkon lasera 4 kW);{\displaystyle V=}V= rýchlosť rezania v metroch za minútu.[16]
Tento proces je schopný udržať celkom tesné tolerancie, často do 0,001 palca (0,025 mm).Geometria dielu a mechanická spoľahlivosť stroja majú veľa spoločného s tolerančnými schopnosťami.Typická povrchová úprava, ktorá je výsledkom rezania laserovým lúčom, sa môže pohybovať od 125 do 250 mikropalcov (0,003 mm až 0,006 mm).[11]
Konfigurácie stroja
Dvojpaletový laser lietajúcej optiky
Laserová hlava lietajúcej optiky
Vo všeobecnosti existujú tri rôzne konfigurácie priemyselných laserových rezacích strojov: pohyblivý materiál, hybridné systémy a systémy lietajúcej optiky.Vzťahujú sa na spôsob, akým sa laserový lúč pohybuje nad materiálom, ktorý sa má rezať alebo spracovávať.Pre všetky z nich sú osi pohybu zvyčajne označené ako osi X a Y.Ak je možné ovládať rezaciu hlavu, je označená ako os Z.
Lasery s pohyblivým materiálom majú stacionárnu rezaciu hlavu a posúvajú materiál pod ňu.Táto metóda poskytuje konštantnú vzdialenosť od laserového generátora k obrobku a jeden bod, z ktorého sa odstraňuje rezný odpad.Vyžaduje si to menej optiky, ale vyžaduje pohyb obrobku.Tento štýl stroja má tendenciu mať najmenej optiky dodávania lúča, ale má tendenciu byť aj najpomalší.
Hybridné lasery poskytujú stôl, ktorý sa pohybuje v jednej osi (zvyčajne os X) a pohybuje hlavou pozdĺž kratšej osi (Y).To má za následok konštantnejšiu dĺžku dráhy dodávania lúča ako pri stroji s lietajúcou optikou a môže to umožniť jednoduchší systém dodávania lúča.To môže mať za následok zníženú stratu energie v dodávacom systéme a väčšiu kapacitu na watt ako stroje s lietajúcou optikou.
Lasery lietajúcej optiky majú stacionárny stôl a rezaciu hlavu (s laserovým lúčom), ktorá sa pohybuje nad obrobkom v oboch horizontálnych rozmeroch.Rezačky s lietajúcou optikou udržujú obrobok počas spracovania nehybný a často nevyžadujú upínanie materiálu.Pohybujúca sa hmota je konštantná, takže dynamika nie je ovplyvnená meniacou sa veľkosťou obrobku.Stroje s lietajúcou optikou sú najrýchlejším typom, čo je výhodné pri rezaní tenších obrobkov.[17]
Stroje s lietajúcou optikou musia používať nejakú metódu na zohľadnenie meniacej sa dĺžky lúča od rezu v blízkom poli (blízko rezonátora) po rezanie vo vzdialenom poli (ďaleko od rezonátora).Medzi bežné metódy kontroly patrí kolimácia, adaptívna optika alebo použitie osi konštantnej dĺžky lúča.
Päť a šesťosové stroje umožňujú aj rezanie tvarovaných obrobkov.Okrem toho existujú rôzne metódy orientácie laserového lúča na tvarovaný obrobok, udržiavanie správnej vzdialenosti zaostrenia a odstupu trysky atď.
Pulzovanie
Impulzné lasery, ktoré poskytujú vysokovýkonný výboj energie na krátku dobu, sú veľmi účinné pri niektorých procesoch rezania laserom, najmä pri dierovaní, alebo keď sú potrebné veľmi malé otvory alebo veľmi nízka rýchlosť rezania, pretože ak by sa použil konštantný laserový lúč, teplo by mohlo dosiahnuť bod roztavenia celého rezaného kusu.
Väčšina priemyselných laserov má schopnosť pulzovať alebo rezať CW (kontinuálna vlna) pod programovým riadením NC (numerické riadenie).
Dvojimpulzové lasery používajú sériu párov impulzov na zlepšenie rýchlosti odstraňovania materiálu a kvality otvoru.V podstate prvý impulz odoberá materiál z povrchu a druhý bráni vyvrhnutiu prilepiť sa na stranu otvoru alebo rezu.[18]
Čas odoslania: 16. júna 2022