Laserleikkaus

Laserleikkaus on tekniikka, joka käyttää laseria materiaalien höyrystämiseen, jolloin saadaan leikattu reuna.Vaikka sitä käytetään tyypillisesti teollisiin tuotantosovelluksiin, sitä käyttävät nykyään koulut, pienet yritykset, arkkitehtuuri ja harrastajat.Laserleikkaus toimii ohjaamalla suuritehoisen laserin lähtö yleisimmin optiikan kautta.Laseroptiikkaa ja CNC:tä (tietokoneen numeerinen ohjaus) käytetään lasersäteen ohjaamiseen materiaaliin.Kaupallinen materiaalien leikkaamiseen tarkoitettu laser käyttää liikkeenohjausjärjestelmää, joka seuraa materiaaliin leikattavan kuvion CNC- tai G-koodia.Tarkennettu lasersäde suunnataan materiaaliin, joka sitten joko sulaa, palaa, höyrystyy pois tai kaasusuihku puhaltaa sitä pois[1], jolloin jäljelle jää laadukas pinta.[2]

Vuonna 1965 ensimmäistä tuotantolaserleikkauskonetta käytettiin poraamaan reikiä timanttimuotteihin.Tämän koneen on valmistanut Western Electric Engineering Research Center.[3]Vuonna 1967 britit aloittivat metallien laseravusteisen happisuihkuleikkauksen.[4]1970-luvun alussa tämä tekniikka otettiin tuotantoon titaanin leikkaamiseksi ilmailusovelluksiin.Samanaikaisesti CO2-lasereita mukautettiin leikkaamaan ei-metalleja, kuten tekstiilejä, koska tuohon aikaan CO2-laserit eivät olleet tarpeeksi tehokkaita voittamaan metallien lämmönjohtavuutta.[5]

Prosessi

Teräksen teollinen laserleikkaus CNC-liitännän kautta ohjelmoiduilla leikkausohjeilla
Lasersäde tarkennetaan yleensä korkealaatuisella linssillä työalueelle.Säteen laadulla on suora vaikutus fokusoidun pisteen kokoon.Tarkennetun säteen kapein osa on yleensä halkaisijaltaan alle 0,0125 tuumaa (0,32 mm).Materiaalin paksuudesta riippuen uurteiden leveydet ovat jopa 0,10 mm (0,004 tuumaa) mahdollisia.[6]Jotta leikkaus voidaan aloittaa muualta kuin reunasta, tehdään lävistys ennen jokaista leikkausta.Lävistyksessä käytetään yleensä suuritehoista pulssi lasersädettä, joka tekee hitaasti materiaaliin reiän, esimerkiksi 0,5 tuuman (13 mm) ruostumattomalle teräkselle vie noin 5–15 sekuntia.

Laserlähteestä tulevan koherentin valon yhdensuuntaiset säteet ovat usein halkaisijaltaan 0,06–0,08 tuumaa (1,5–2,0 mm).Tämä säde tarkennetaan ja vahvistetaan normaalisti linssillä tai peilillä hyvin pieneen, noin 0,001 tuuman (0,025 mm) pisteeseen erittäin voimakkaan lasersäteen luomiseksi.Jotta ääriviivaleikkauksen aikana saavutettaisiin mahdollisimman tasainen viimeistely, säteen polarisaation suuntaa on käännettävä, kun se kulkee muotoillun työkappaleen kehän ympäri.Peltileikkauksessa polttoväli on yleensä 1,5–3 tuumaa (38–76 mm).[7]

Laserleikkauksen etuja mekaaniseen leikkaukseen verrattuna ovat helpompi työskentely ja vähemmän työkappaleen kontaminaatiota (koska ei ole leikkuureunaa, joka saastuisi materiaalista tai saastuttaisi materiaalin).Tarkkuus voi olla parempi, koska lasersäde ei kulu prosessin aikana.Myös leikattavan materiaalin vääntymisen mahdollisuus on pienempi, koska laserjärjestelmissä on pieni lämpövaikutusalue.[8]Joitakin materiaaleja on myös erittäin vaikea tai mahdoton leikata perinteisemmällä tavalla.

Metallien laserleikkauksella on plasmaleikkaukseen verrattuna se etu, että se on tarkempi[9] ja se kuluttaa vähemmän energiaa metallilevyn leikkaamiseen;Useimmat teollisuuslaserit eivät kuitenkaan pysty leikkaamaan suurempia metallipaksuuksia kuin plasma.Uudemmat laserkoneet, jotka toimivat suuremmalla teholla (6000 wattia, toisin kuin aikaisempien laserleikkauskoneiden 1500 watin arvot) lähestyvät plasmakoneita niiden kyvyssä leikata paksuja materiaaleja, mutta tällaisten koneiden pääomakustannukset ovat paljon korkeammat kuin plasman. leikkauskoneet, jotka pystyvät leikkaamaan paksuja materiaaleja, kuten teräslevyä.[10]
Tyypit

4000 watin CO2-laserleikkuri
Laserleikkauksessa käytetään kolmea päätyyppiä lasereita.CO2-laser soveltuu leikkaamiseen, poraamiseen ja kaivertamiseen.Neodyymi (Nd) ja neodyymi-yttrium-alumiini-granaatti (Nd:YAG) laserit ovat tyyliltään identtisiä ja eroavat toisistaan ​​vain sovelluksissa.Nd:tä käytetään poraamiseen ja missä tarvitaan paljon energiaa mutta vähän toistoa.Nd:YAG laseria käytetään paikoissa, joissa tarvitaan erittäin suurta tehoa sekä poraukseen ja kaivertamiseen.Sekä CO2- että Nd/Nd:YAG-lasereita voidaan käyttää hitsaukseen.[11]

CO2-lasereita "pumppataan" yleensä johtamalla virta kaasuseoksen läpi (DC-viritetty) tai käyttämällä radiotaajuusenergiaa (RF-viritetty).RF-menetelmä on uudempi ja siitä on tullut suositumpi.Koska DC-mallit vaativat elektrodeja ontelon sisällä, ne voivat kohdata elektrodien eroosion ja elektrodimateriaalin pinnoittamisen lasiesineissä ja optiikassa.Koska RF-resonaattoreissa on ulkoiset elektrodit, ne eivät ole alttiita näille ongelmille.CO2-lasereita käytetään monien materiaalien, kuten titaanin, ruostumattoman teräksen, pehmeän teräksen, alumiinin, muovin, puun, puun, vahan, kankaiden ja paperin, teolliseen leikkaamiseen.YAG-lasereita käytetään ensisijaisesti metallien ja keramiikan leikkaamiseen ja viipalointiin.[12]

Virtalähteen lisäksi myös kaasuvirtauksen tyyppi voi vaikuttaa suorituskykyyn.CO2-laserien yleisiä muunnelmia ovat nopea aksiaalinen virtaus, hidas aksiaalinen virtaus, poikittaisvirtaus ja laatta.Nopeassa aksiaalivirtausresonaattorissa hiilidioksidin, heliumin ja typen seosta kierrätetään suurella nopeudella turbiinilla tai puhaltimella.Poikittaisvirtauslaserit kierrättävät kaasuseosta pienemmällä nopeudella, mikä vaatii yksinkertaisemman puhaltimen.Levy- tai diffuusiojäähdytteisissä resonaattoreissa on staattinen kaasukenttä, joka ei vaadi paineistusta tai lasitavaroita, mikä säästää vaihtoturbiineissa ja lasitavaroissa.

Lasergeneraattori ja ulkoinen optiikka (mukaan lukien tarkennuslinssi) vaativat jäähdytystä.Järjestelmän koosta ja kokoonpanosta riippuen hukkalämpö voi siirtyä jäähdytysnesteen välityksellä tai suoraan ilmaan.Vesi on yleisesti käytetty jäähdytysneste, jota yleensä kierrätetään jäähdyttimen tai lämmönsiirtojärjestelmän kautta.

Lasermikrosuihku on vesisuihkuohjattu laser, jossa pulssimainen lasersäde on kytketty matalapaineiseen vesisuihkuun.Tätä käytetään laserleikkaustoimintojen suorittamiseen, kun vesisuihkua käytetään lasersäteen ohjaamiseen, aivan kuten optinen kuitu, täydellisen sisäisen heijastuksen läpi.Tämän etuna on, että vesi poistaa myös roskat ja jäähdyttää materiaalia.Muita etuja perinteiseen "kuivaan" laserleikkaukseen verrattuna ovat suuret kuutionopeudet, yhdensuuntainen leikkaus ja monisuuntainen leikkaus.[13]

Kuitulaserit ovat eräänlainen solid-state laser, joka kasvaa nopeasti metallinleikkausteollisuudessa.Toisin kuin CO2, kuituteknologia käyttää kiinteää vahvistusväliainetta kaasun tai nesteen sijaan."Siemenlaser" tuottaa lasersäteen ja vahvistuu sitten lasikuidun sisällä.Vain 1064 nanometrin aallonpituudella kuitulaserit tuottavat erittäin pienen pistekoon (jopa 100 kertaa pienempi kuin CO2), mikä tekee siitä ihanteellisen heijastavan metallimateriaalin leikkaamiseen.Tämä on yksi kuidun tärkeimmistä eduista hiilidioksidiin verrattuna.[14]

Kuitulaserleikkurin etuja ovat: -

Nopeat käsittelyajat.
Pienempi energiankulutus ja laskut – paremman tehokkuuden ansiosta.
Parempi luotettavuus ja suorituskyky – ei optiikkaa säädettävää tai kohdistettavaa eikä lamppuja vaihdettava.
Minimaalinen huolto.
Kyky käsitellä erittäin heijastavia materiaaleja, kuten kuparia ja messinkiä
Korkeampi tuottavuus – pienemmät käyttökustannukset tarjoavat paremman tuoton sijoituksellesi.[15]

menetelmät
Laserleikkauksessa on monia erilaisia ​​menetelmiä, ja eri tyyppejä käytetään eri materiaalien leikkaamiseen.Joitakin menetelmiä ovat höyrystys, sulatus ja puhallus, sulapuhallus ja -poltto, lämpöjännityshalkeilu, piirustus, kylmäleikkaus ja polttava stabiloitu laserleikkaus.

Höyrystysleikkaus
Höyrystysleikkauksessa fokusoitu säde lämmittää materiaalin pinnan leimahduspisteeseen ja muodostaa avaimenreiän.Avaimenreikä johtaa äkilliseen imukyvyn kasvuun ja syventää reikää nopeasti.Kun reikä syvenee ja materiaali kiehuu, syntyvä höyry syövyttää sulat seinät puhaltaen ulos ja laajentaen reikää entisestään.Tällä menetelmällä leikataan yleensä sulamattomia materiaaleja, kuten puuta, hiiltä ja kertamuovia.
Sulata ja puhalla
Sula- ja puhallusleikkauksessa käytetään korkeapainekaasua sulan materiaalin puhaltamiseen leikkausalueelta, mikä vähentää huomattavasti tehon tarvetta.Ensin materiaali kuumennetaan sulamispisteeseen, sitten kaasusuihku puhaltaa sulan materiaalin ulos urasta välttäen tarvetta nostaa materiaalin lämpötilaa enempää.Tällä menetelmällä leikatut materiaalit ovat yleensä metalleja.

Lämpöjännityshalkeilu
Hauraat materiaalit ovat erityisen herkkiä lämpömurtumiselle, jota hyödynnetään lämpöjännityshalkeilussa.Säde kohdistuu pintaan aiheuttaen paikallista kuumenemista ja lämpölaajenemista.Tämä johtaa halkeamaan, jota voidaan sitten ohjata siirtämällä palkkia.Halkeamaa voidaan siirtää m/s järjestyksessä.Sitä käytetään yleensä lasin leikkaamiseen.

Piikiekkojen salakavala kuutio
Lisätiedot: Vohveliviipalointi
Puolijohdevalmistuksessa valmistettujen mikroelektronisten sirujen erottaminen piikiekoista voidaan suorittaa ns. stealth dicing -prosessilla, joka toimii pulssi-Nd:YAG-laserilla, jonka aallonpituus (1064 nm) on hyvin sovitettu elektroniikkaan. piin kaistaväli (1,11 eV tai 1117 nm).

Reaktiivinen leikkaus
Kutsutaan myös "polttavaksi stabiloiduksi laserkaasuleikkaukseksi", "liekkileikkaukseksi".Reaktiivinen leikkaus on kuin happipoltinleikkaus, mutta sytytyslähteenä on lasersäde.Käytetään enimmäkseen hiiliteräksen leikkaamiseen, jonka paksuus on yli 1 mm.Tätä prosessia voidaan käyttää erittäin paksujen teräslevyjen leikkaamiseen suhteellisen pienellä laserteholla.

Toleranssit ja pintakäsittely
Laserleikkureiden paikannustarkkuus on 10 mikrometriä ja toistettavuus 5 mikrometriä [viittaus tarvitaan]

Vakiokarheus Rz kasvaa levyn paksuuden myötä, mutta pienenee lasertehon ja leikkausnopeuden myötä.Sahattaessa vähähiilistä terästä laserteholla 800 W, vakiokarheus Rz on 10 μm levypaksuudella 1 mm, 20 μm 3 mm:llä ja 25 μm 6 mm:llä.

{\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}}}}
Missä: {\displaystyle S=}S = teräslevyn paksuus millimetreinä;{\displaystyle P=}P = laserteho kW (joissakin uusissa laserleikkureissa laserteho on 4 kW);{\displaystyle V=}V= leikkausnopeus metreinä minuutissa.[16]

Tämä prosessi pystyy pitämään melko lähellä toleransseja, usein 0,001 tuuman (0,025 mm) tarkkuudella.Osien geometrialla ja koneen mekaanisella kestävyydellä on paljon tekemistä toleranssiominaisuuksien kanssa.Tyypillinen lasersädeleikkauksen tuloksena saatu pintakäsittely voi vaihdella välillä 125–250 mikrotuumaa (0,003–0,006 mm).[11]

Koneen kokoonpanot

Kaksilavainen lentävä optiikka laser

Lentävä optiikka laserpää
Teollisia laserleikkauskoneita on yleensä kolme eri kokoonpanoa: liikkuva materiaali, hybridi ja lentävä optiikka.Nämä viittaavat tapaan, jolla lasersäde siirretään leikattavan tai prosessoitavan materiaalin yli.Kaikille näille liikeakselit on tyypillisesti merkitty X- ja Y-akselilla.Jos leikkuupäätä voidaan ohjata, se on merkitty Z-akseliksi.

Liikkuvan materiaalin lasereissa on kiinteä leikkauspää ja materiaali liikutetaan sen alla.Tämä menetelmä tarjoaa jatkuvan etäisyyden lasergeneraattorista työkappaleeseen ja yhden pisteen, josta leikkausjäte poistetaan.Se vaatii vähemmän optiikkaa, mutta vaatii työkappaleen siirtämistä.Tällä koneella on yleensä vähiten säteen siirtooptiikkaa, mutta se on myös hitain.

Hybridilaserit tarjoavat pöydän, joka liikkuu yhdellä akselilla (yleensä X-akselilla) ja siirtää päätä lyhyempää (Y) akselia pitkin.Tämä johtaa tasaisempaan säteen toimituspolun pituuteen kuin lentävä optiikkakone ja saattaa mahdollistaa yksinkertaisemman säteen jakelujärjestelmän.Tämä voi johtaa pienempään tehohäviöön jakelujärjestelmässä ja enemmän tehoa wattia kohden kuin lentävät optiikkakoneet.

Lentävissä optisissa lasereissa on kiinteä pöytä ja leikkauspää (lasersäteellä), joka liikkuu työkappaleen päällä molemmissa vaakasuuntaisissa mitoissa.Lentävät optiikkaleikkurit pitävät työkappaleen paikallaan työstön aikana eivätkä usein vaadi materiaalin kiinnitystä.Liikkuva massa on vakio, joten työkappaleen koon vaihtelu ei vaikuta dynamiikkaan.Lentävät optiikkakoneet ovat nopein tyyppi, mikä on edullista ohuempia työkappaleita leikattaessa.[17]

Lentävien optiikkakoneiden on käytettävä jotakin menetelmää, jolla otetaan huomioon säteen pituuden muuttuminen lähikenttäleikkauksesta (lähellä resonaattoria) kaukokentän leikkaukseen (kaukana resonaattorista).Yleisiä menetelmiä tämän ohjaamiseksi ovat kollimaatio, adaptiivinen optiikka tai vakio säteen pituuden akselin käyttö.

 
Viisi- ja kuusiakseliset koneet mahdollistavat myös muotoiltujen työkappaleiden leikkaamisen.Lisäksi on olemassa erilaisia ​​menetelmiä lasersäteen suuntaamiseksi muotoiltuun työkappaleeseen, oikean tarkennusetäisyyden ylläpitämiseen ja suuttimen erottumiseen jne.

Pulssi
Pulssilaserit, jotka tuottavat suuren tehon energiapurskeen lyhyeksi ajaksi, ovat erittäin tehokkaita joissakin laserleikkausprosesseissa, erityisesti lävistyksissä tai kun tarvitaan hyvin pieniä reikiä tai erittäin alhaisia ​​leikkausnopeuksia, koska jos käytetään jatkuvaa lasersädettä, lämpö voi saavuttaa pisteen, jossa koko leikattava kappale sulaa.

Useimmat teollisuuslaserit pystyvät pulssimaan tai leikkaamaan jatkuvaa aaltoa (CW) NC-ohjelmaohjauksella (numeerinen ohjaus).

Kaksoispulssilaserit käyttävät sarjaa pulssipareja materiaalin poistonopeuden ja reiän laadun parantamiseksi.Pohjimmiltaan ensimmäinen pulssi poistaa materiaalia pinnalta ja toinen estää ulostyöntöä tarttumasta reiän tai leikkauksen sivuun.[18]

Tehon kulutus
Laserleikkauksen suurin haittapuoli on suuri virrankulutus.Teollisuuden lasertehokkuus voi vaihdella 5–45 %.[19]Minkä tahansa laserin virrankulutus ja hyötysuhde vaihtelevat lähtötehon ja toimintaparametrien mukaan.Tämä riippuu laserin tyypistä ja siitä, kuinka hyvin laser on sovitettu käsillä olevaan työhön.Tiettyä työtä varten tarvittava laserleikkausteho, joka tunnetaan nimellä lämmönsyöttö, riippuu materiaalityypistä, paksuudesta, käytetystä prosessista (reaktiivinen/inertti) ja halutusta leikkausnopeudesta.