Лазерная резка — это технология, которая использует лазер для испарения материалов, в результате чего получается режущая кромка. Хотя обычно она используется в промышленных производственных приложениях, теперь она используется в школах, малом бизнесе, архитектуре и любителями. Лазерная резка работает, направляя выход мощного лазера чаще всего через оптику. Оптика лазера и ЧПУ (числовое программное управление) используются для направления лазерного луча на материал. Коммерческий лазер для резки материалов использует систему управления движением для следования ЧПУ или G-коду рисунка, который должен быть вырезан на материале. Сфокусированный лазерный луч направляется на материал, который затем либо плавится, сгорает, испаряется или сдувается струей газа, [1] оставляя кромку с высококачественной отделкой поверхности. [2]
В 1965 году первый серийный станок для лазерной резки использовался для сверления отверстий в алмазных штампах . Этот станок был изготовлен Western Electric Engineering Research Center . [3] В 1967 году британцы стали пионерами в области лазерной резки кислородной струей для металлов. [4] В начале 1970-х годов эта технология была внедрена в производство для резки титана для аэрокосмических применений. В то же время CO2 - лазеры были адаптированы для резки неметаллов, таких как текстиль , поскольку в то время CO2 - лазеры были недостаточно мощными, чтобы преодолеть теплопроводность металлов. [5]
Лазерный луч обычно фокусируется с помощью высококачественной линзы на рабочей зоне. Качество луча напрямую влияет на размер сфокусированного пятна. Самая узкая часть сфокусированного луча обычно имеет диаметр менее 0,0125 дюйма (0,32 мм). В зависимости от толщины материала возможна ширина пропила до 0,004 дюйма (0,10 мм). [6] Для того чтобы можно было начать резку с другого места, а не с края, перед каждым разрезом делается прокол. Прокол обычно включает в себя мощный импульсный лазерный луч, который медленно проделывает отверстие в материале, например, для нержавеющей стали толщиной 0,5 дюйма (13 мм) это занимает около 5–15 секунд.
Параллельные лучи когерентного света от лазерного источника часто попадают в диапазон от 0,06 до 0,08 дюйма (1,5–2,0 мм) в диаметре. Этот луч обычно фокусируется и усиливается линзой или зеркалом до очень маленького пятна размером около 0,001 дюйма (0,025 мм), чтобы создать очень интенсивный лазерный луч. Для достижения максимально гладкой отделки во время контурной резки направление поляризации луча должно вращаться по мере его прохождения по периферии контурной заготовки. Для резки листового металла фокусное расстояние обычно составляет 1,5–3 дюйма (38–76 мм). [7] [8]
Преимущества лазерной резки по сравнению с механической резкой включают более легкое удержание заготовки и снижение загрязнения заготовки (поскольку нет режущей кромки, которая может загрязняться материалом или загрязнять материал). Точность может быть выше, поскольку лазерный луч не изнашивается в процессе. Также снижается вероятность деформации разрезаемого материала, поскольку лазерные системы имеют небольшую зону термического воздействия . [9] Некоторые материалы также очень трудно или невозможно резать более традиционными способами. [10]
Лазерная резка металлов имеет преимущество перед плазменной резкой , поскольку она более точна [11] и потребляет меньше энергии при резке листового металла; однако большинство промышленных лазеров не могут резать большую толщину металла, чем плазма. Новые лазерные машины, работающие на более высокой мощности (6000 Вт, в отличие от ранних лазерных режущих машин мощностью 1500 Вт), приближаются к плазменным машинам по своей способности резать толстые материалы, но капитальные затраты на такие машины намного выше, чем на плазменные режущие машины, способные резать толстые материалы, такие как стальная пластина. [12]
Существует три основных типа лазеров, используемых в лазерной резке. Лазер CO2 подходит для резки, сверления и гравировки. Неодимовый (Nd) и неодимовый иттрий-алюминиевый гранатовый лазер ( Nd:YAG ) идентичны по стилю и отличаются только областью применения. Nd используется для сверления и там, где требуется высокая энергия, но низкая повторяемость. Лазер Nd:YAG используется там, где требуется очень высокая мощность, а также для сверления и гравировки. Как лазеры CO2, так и Nd/Nd:YAG могут использоваться для сварки . [13]
CO 2 -лазеры обычно «накачиваются» путем пропускания тока через газовую смесь (возбуждение постоянным током) или с использованием радиочастотной энергии (возбуждение радиочастотой). Метод RF является более новым и стал более популярным. Поскольку конструкции постоянного тока требуют электродов внутри полости, они могут столкнуться с эрозией электродов и осаждением электродного материала на стеклянную посуду и оптику . Поскольку у радиочастотных резонаторов есть внешние электроды, они не подвержены этим проблемам. CO 2 -лазеры используются для промышленной резки многих материалов, включая титан, нержавеющую сталь, мягкую сталь, алюминий, пластик, дерево, композитную древесину, воск, ткани и бумагу. YAG-лазеры в основном используются для резки и скрайбирования металлов и керамики.
Помимо источника питания, на производительность может влиять и тип газового потока. Распространенные варианты CO2 - лазеров включают быстрый осевой поток, медленный осевой поток, поперечный поток и пластинчатый. В резонаторе с быстрым осевым потоком смесь углекислого газа, гелия и азота циркулирует с высокой скоростью турбиной или нагнетателем. Лазеры с поперечным потоком циркулируют газовую смесь с меньшей скоростью, требуя более простого нагнетателя. Резонаторы с пластинчатым или диффузионным охлаждением имеют статическое газовое поле, которое не требует наддува или стеклянной посуды, что приводит к экономии на сменных турбинах и стеклянной посуде.
Лазерный генератор и внешняя оптика (включая фокусную линзу) требуют охлаждения. В зависимости от размера и конфигурации системы отработанное тепло может передаваться охлаждающей жидкостью или напрямую в воздух. Вода является широко используемой охлаждающей жидкостью, обычно циркулирующей через охладитель или систему теплопередачи.
Лазерный микроструйный лазер — это лазер с водной струей , в котором импульсный лазерный луч соединяется с водяной струей низкого давления. Он используется для выполнения функций лазерной резки, при этом водяная струя используется для направления лазерного луча, как оптическое волокно, через полное внутреннее отражение. Преимущества этого метода в том, что вода также удаляет мусор и охлаждает материал. Дополнительные преимущества по сравнению с традиционной «сухой» лазерной резкой — высокая скорость резки, параллельный пропил и всенаправленная резка. [14]
Волоконные лазеры — это тип твердотельных лазеров, который быстро развивается в отрасли резки металла. В отличие от CO2 , волоконная технология использует твердую среду усиления, а не газ или жидкость. «Затравочный лазер» производит лазерный луч, который затем усиливается в стеклянном волокне. С длиной волны всего 1064 нанометра волоконные лазеры создают чрезвычайно малый размер пятна (до 100 раз меньше по сравнению с CO2 ) , что делает его идеальным для резки отражающего металлического материала. Это одно из главных преимуществ волокна по сравнению с CO2 .
Преимущества волоконного лазерного резака включают в себя:
Существует множество различных методов резки с использованием лазеров, при этом различные типы используются для резки различных материалов. Некоторые из методов включают испарение, плавление и выдувание, плавление и выдувание, растрескивание под действием термических напряжений, скрайбирование, холодную резку и лазерную резку со стабилизацией горением.
При резке испарением сфокусированный луч нагревает поверхность материала до точки воспламенения и создает замочную скважину. Замочная скважина приводит к резкому увеличению поглощающей способности, быстро углубляя отверстие. По мере углубления отверстия и кипения материала образующийся пар разрушает расплавленные стенки, выдувая выброс и еще больше увеличивая отверстие. Неплавящиеся материалы, такие как дерево, углерод и термореактивные пластмассы, обычно режут этим методом.
Резка расплавом и выдувом или fusion cutting использует газ высокого давления для выдувания расплавленного материала из зоны резки, что значительно снижает потребность в мощности. Сначала материал нагревается до точки плавления, затем струя газа выдувает расплавленный материал из реза, избегая необходимости дальнейшего повышения температуры материала. Материалы, которые разрезаются с помощью этого процесса, обычно являются металлами.
Хрупкие материалы особенно чувствительны к термическому разрушению, что используется при термическом растрескивании. Луч фокусируется на поверхности, вызывая локальный нагрев и тепловое расширение. Это приводит к трещине, которую затем можно направлять, перемещая луч. Трещина может перемещаться в порядке м/с. Обычно это используется при резке стекла.
Разделение микроэлектронных чипов, полученных при изготовлении полупроводниковых приборов, из кремниевых пластин может осуществляться с помощью так называемого процесса скрытой резки, который работает с использованием импульсного лазера Nd:YAG , длина волны которого (1064 нм) хорошо адаптирована к электронной ширине запрещенной зоны кремния (1,11 эВ или 1117 нм).
Реактивная резка также называется «резкой стабилизированным лазерным газом» и «пламенной резкой». Реактивная резка похожа на резку кислородной горелкой, но с лазерным лучом в качестве источника зажигания. В основном используется для резки углеродистой стали толщиной более 1 мм. Этот процесс можно использовать для резки очень толстых стальных пластин при относительно небольшой мощности лазера.
Лазерные резаки имеют точность позиционирования 10 микрометров и повторяемость 5 микрометров. [ необходима цитата ]
Стандартная шероховатость Rz увеличивается с толщиной листа, но уменьшается с мощностью лазера и скоростью резки . При резке низкоуглеродистой стали мощностью лазера 800 Вт стандартная шероховатость Rz составляет 10 мкм для толщины листа 1 мм, 20 мкм для 3 мм и 25 мкм для 6 мм.
Где: толщина стального листа в мм; мощность лазера в кВт (некоторые новые лазерные резаки имеют мощность лазера 4 кВт); скорость резки в метрах в минуту. [16]
Этот процесс способен выдерживать довольно жесткие допуски , часто в пределах 0,001 дюйма (0,025 мм). Геометрия детали и механическая прочность машины во многом связаны с возможностями допуска. Типичная отделка поверхности, получаемая в результате резки лазерным лучом, может варьироваться от 125 до 250 микродюймов (от 0,003 мм до 0,006 мм). [13]
Обычно существуют три различные конфигурации промышленных лазерных режущих станков: с подвижным материалом, гибридные и системы с летающей оптикой. Они относятся к способу перемещения лазерного луча по материалу, который необходимо разрезать или обработать. Для всех этих типов оси движения обычно обозначаются как оси X и Y. Если режущая головка может управляться, она обозначается как ось Z.
Лазеры с подвижным материалом имеют неподвижную режущую головку и перемещают материал под ней. Этот метод обеспечивает постоянное расстояние от лазерного генератора до заготовки и единую точку, из которой удаляются отходы резки. Он требует меньше оптики, но требует перемещения заготовки. Этот тип машины, как правило, имеет наименьшее количество оптики для подачи луча, но также, как правило, является самым медленным.
Гибридные лазеры представляют собой стол, который движется по одной оси (обычно по оси X), и перемещают головку по более короткой оси (Y). Это приводит к более постоянной длине пути доставки луча, чем у летающей оптической машины, и может позволить более простую систему доставки луча. Это может привести к снижению потерь мощности в системе доставки и большей мощности на ватт, чем у летающих оптических машин.
Лазеры с летающей оптикой имеют неподвижный стол и режущую головку (с лазерным лучом), которая перемещается над заготовкой в обоих горизонтальных измерениях. Фрезы с летающей оптикой удерживают заготовку неподвижной во время обработки и часто не требуют зажима материала. Движущаяся масса постоянна, поэтому динамика не зависит от изменения размера заготовки. Станки с летающей оптикой являются самыми быстрыми, что выгодно при резке более тонких заготовок. [17]
Летающие оптические машины должны использовать какой-то метод, чтобы учитывать изменение длины луча от ближнего поля (вблизи резонатора) до дальнего поля (вдали от резонатора). Обычные методы управления этим включают коллимацию, адаптивную оптику или использование оси постоянной длины луча.
Пяти- и шестиосевые станки также позволяют резать формованные заготовки. Кроме того, существуют различные методы ориентации лазерного луча на формованную заготовку, поддерживая правильное фокусное расстояние и зазор сопла.
Импульсные лазеры , которые обеспечивают мощный выброс энергии в течение короткого периода времени, очень эффективны в некоторых процессах лазерной резки, особенно для прокалывания или когда требуются очень маленькие отверстия или очень низкие скорости резки, поскольку при использовании постоянного лазерного луча тепло может достичь точки расплавления всей разрезаемой детали.
Большинство промышленных лазеров способны генерировать импульсы или резать непрерывной волной под управлением программы ЧПУ ( числового программного управления ).
Двойные импульсные лазеры используют серию пар импульсов для улучшения скорости удаления материала и качества отверстий. По сути, первый импульс удаляет материал с поверхности, а второй предотвращает прилипание выброса к стенке отверстия или разреза. [18]
Основным недостатком лазерной резки является высокое энергопотребление. Эффективность промышленного лазера может варьироваться от 5% до 45%. [19] Энергопотребление и эффективность любого конкретного лазера будут варьироваться в зависимости от выходной мощности и рабочих параметров. Это будет зависеть от типа лазера и того, насколько хорошо лазер соответствует выполняемой работе. Количество требуемой мощности лазерной резки, известное как подвод тепла , для конкретной работы зависит от типа материала, толщины, используемого процесса (реактивный/инертный) и желаемой скорости резки.
Максимальная скорость резки (производительность) ограничена рядом факторов, включая мощность лазера, толщину материала, тип процесса (реактивный или инертный) и свойства материала. Обычные промышленные системы (≥1 кВт) режут углеродистую сталь толщиной от 0,51 до 13 мм . Для многих целей лазер может быть в тридцать раз быстрее стандартной распиловки. [21]
