Cięcie laserowe - Laser cutting

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Schemat wycinarki laserowej
Proces cięcia laserowego na blasze stalowej
CAD (góra) i część wycinana laserowo ze stali nierdzewnej (dół)

Cięcie laserowe to technologia wykorzystująca laser do cięcia materiałów. Chociaż jest zwykle używany do zastosowań przemysłowych, zaczyna być używany przez szkoły, małe firmy i hobbystów. Cięcie laserowe polega na kierowaniu wyjścia lasera o dużej mocy, najczęściej przez optykę. W optyka laserowe i CNC (komputerowy sterowania numerycznego) służą do kierowania materiału lub wiązkę laserową generowane. Dostępny w handlu laser do cięcia materiałów wykorzystuje system sterowania ruchem, który śledzi kod CNC lub G wzoru, który ma być wycięty na materiale. Skupiona wiązka lasera jest kierowana na materiał, który następnie topi się, spala, odparowuje lub jest zdmuchiwany przez strumień gazu, pozostawiając krawędź o wysokiej jakości wykończeniu powierzchni.

Historia

W 1965 roku do wiercenia otworów w matrycach diamentowych użyto pierwszej produkcyjnej wycinarki laserowej . Ta maszyna została wykonana przez Western Electric Engineering Research Center . W 1967 roku Brytyjczycy byli pionierami w cięciu metali przy pomocy lasera. We wczesnych latach siedemdziesiątych ta technologia została wprowadzona do produkcji w celu cięcia tytanu do zastosowań lotniczych. W tym samym czasie CO
2
lasery zostały przystosowane do cięcia niemetali, takich jak tkaniny , ponieważ w tamtym czasie CO
2
lasery nie były wystarczająco mocne, aby przezwyciężyć przewodnictwo cieplne metali.

Proces

Przemysłowe cięcie laserowe stali z instrukcjami cięcia zaprogramowanymi przez interfejs CNC

Generowanie wiązki laserowej polega na stymulowaniu materiału laserowego przez wyładowania elektryczne lub lampy w zamkniętym pojemniku. Podczas stymulacji materiału laserowego wiązka odbija się od wewnątrz za pomocą zwierciadła częściowego, aż osiągnie wystarczającą energię, aby uciec jako strumień spójnego monochromatycznego światła. Lustra lub światłowody są zwykle używane do kierowania spójnego światła na soczewkę, która skupia światło w strefie roboczej. Najwęższa część skupionej wiązki ma zwykle mniej niż 0,0125 cala (0,32 mm) średnicy. W zależności od grubości materiału możliwe są szczeliny o szerokości nawet 0,004 cala (0,10 mm). Aby móc rozpocząć cięcie z innego miejsca niż krawędź, przed każdym cięciem wykonuje się przebijanie. Przebijanie zwykle obejmuje impulsową wiązkę lasera o dużej mocy, która powoli wykonuje dziurę w materiale , na przykład w przypadku stali nierdzewnej o grubości 0,5 cala (13 mm), która zajmuje około 5–15 sekund .

Równoległe promienie spójnego światła ze źródła laserowego często mają średnicę w zakresie 0,06–0,08 cala (1,5–2,0 mm). Wiązka ta jest zwykle skupiana i intensyfikowana przez soczewkę lub lustro do bardzo małej plamki około 0,001 cala (0,025 mm) w celu wytworzenia bardzo intensywnej wiązki laserowej. Aby uzyskać możliwie gładkie wykończenie podczas cięcia konturowego, kierunek polaryzacji wiązki musi być obracany, gdy przechodzi ona wokół obrzeża wyprofilowanego przedmiotu obrabianego. W przypadku cięcia blachy ogniskowa wynosi zwykle 1,5–3 cali (38–76 mm).

Zalety cięcia laserowego w porównaniu z cięciem mechanicznym obejmują łatwiejsze trzymanie obrabianego przedmiotu i mniejsze zanieczyszczenie przedmiotu obrabianego (ponieważ nie ma krawędzi tnącej, która mogłaby zostać zanieczyszczona materiałem lub zanieczyścić materiał). Precyzja może być lepsza, ponieważ wiązka lasera nie zużywa się podczas procesu. Istnieje również zmniejszona szansa na wypaczenie ciętego materiału, ponieważ systemy laserowe mają niewielką strefę wpływu ciepła . Niektóre materiały są również bardzo trudne lub niemożliwe do cięcia w bardziej tradycyjny sposób.

Cięcie laserowe metali ma tę przewagę nad cięciem plazmowym, że jest bardziej precyzyjne i zużywa mniej energii podczas cięcia blachy; Jednak większość laserów przemysłowych nie może przeciąć metalu o większej grubości niż plazma. Nowsze maszyny laserowe pracujące z wyższą mocą (6000 watów, w przeciwieństwie do wczesnych maszyn do cięcia laserowego o mocy 1500 watów) zbliżają się do maszyn plazmowych w zakresie ich zdolności do cięcia grubych materiałów, ale koszt inwestycyjny takich maszyn jest znacznie wyższy niż koszt plazmy maszyny do cięcia zdolne do cięcia grubych materiałów, takich jak blacha stalowa.

Rodzaje

Maszyna do cięcia laserem światłowodowym HACO
Maszyna do cięcia laserem światłowodowym HACO ze zintegrowanym systemem załadunku i rozładunku.
4000 watów CO
2
wycinarka laserowa

Istnieją trzy główne typy laserów używanych do cięcia laserowego. CO
2
laser
nadaje się do cięcia, wytaczania i grawerowania. Neodymu (Nd) oraz neodymowe itr-glin-granat ( Nd: YAG ) lasery są identyczne pod względem stylu i różnią się tylko w aplikacji. Nd jest używany do wytaczania i tam, gdzie wymagana jest duża energia, ale niewielka liczba powtórzeń. Laser Nd: YAG jest stosowany tam, gdzie potrzebna jest bardzo duża moc oraz do wytaczania i grawerowania. Zarówno CO
2
Do spawania można stosować lasery Nd / Nd: YAG .

WSPÓŁ
2
lasery są zwykle „pompowane” przez przepuszczanie prądu przez mieszaninę gazów (wzbudzane prądem stałym) lub przy użyciu energii o częstotliwości radiowej (wzbudzane falami radiowymi). Metoda RF jest nowsza i stała się bardziej popularna. Ponieważ projekty prądu stałego wymagają elektrod wewnątrz wnęki, mogą napotkać erozję elektrod i platerowanie materiału elektrody na szkle i optykach . Ponieważ rezonatory RF mają zewnętrzne elektrody, nie są podatne na te problemy. WSPÓŁ
2
lasery są używane do przemysłowego cięcia wielu materiałów, w tym tytanu, stali nierdzewnej, stali miękkiej, aluminium, tworzyw sztucznych, drewna, drewna konstrukcyjnego, wosku, tkanin i papieru. Lasery YAG są używane głównie do cięcia i trasowania metali i ceramiki.

Oprócz źródła zasilania na wydajność może mieć również wpływ rodzaj przepływu gazu. Typowe warianty CO
2
lasery obejmują szybki przepływ osiowy, powolny przepływ osiowy, przepływ poprzeczny i wlewki. W rezonatorze o szybkim przepływie osiowym mieszanina dwutlenku węgla, helu i azotu krąży z dużą prędkością przez turbinę lub dmuchawę. Lasery o przepływie poprzecznym rozprowadzają mieszaninę gazów z mniejszą prędkością, co wymaga prostszej dmuchawy. Rezonatory chłodzone płytowo lub dyfuzyjnie mają statyczne pole gazowe, które nie wymaga zwiększania ciśnienia ani naczyń szklanych, co prowadzi do oszczędności na wymianie turbin i wyrobów szklanych.

Generator lasera i zewnętrzna optyka (w tym soczewka ogniskująca) wymagają chłodzenia. W zależności od wielkości i konfiguracji systemu, ciepło odpadowe może być przenoszone przez chłodziwo lub bezpośrednio do powietrza. Woda jest powszechnie stosowanym czynnikiem chłodzącym, zwykle przepuszczanym przez agregat chłodniczy lub system wymiany ciepła.

Mikrodyszami laserowy jest prowadzony strumieniem wody laserowej , w którym wiązka laserowa jest pulsacyjne połączone w strumieniu wody o niskim ciśnieniu. Służy do wykonywania funkcji cięcia laserowego, podczas gdy strumień wody kieruje wiązkę lasera, podobnie jak światłowód, przez całkowite wewnętrzne odbicie. Zaletą tego jest to, że woda usuwa również zanieczyszczenia i chłodzi materiał. Dodatkowymi zaletami w porównaniu z tradycyjnym cięciem laserowym „na sucho” są wysokie prędkości krojenia w kostkę, równoległe rzazowanie i cięcie wielokierunkowe.

Lasery światłowodowe to rodzaj lasera na ciele stałym, który szybko rośnie w branży obróbki skrawaniem. W przeciwieństwie do CO
2
Technologia światłowodowa wykorzystuje stałe medium wzmacniające, w przeciwieństwie do gazu lub cieczy. „Laser zarodkowy” wytwarza wiązkę laserową, a następnie jest wzmacniany we włóknie szklanym. Przy długości fali lasera włókien tylko 1064 nm wytwarzają bardzo małą wielkość plamki (do 100 razy mniejsze w stosunku do CO
2
), dzięki czemu idealnie nadaje się do cięcia odblaskowych materiałów metalowych. To jedna z głównych zalet Fibre w porównaniu z CO
2
.

Zalety cięcia laserem światłowodowym obejmują: -

  • Szybkie czasy przetwarzania.
  • Zmniejszone zużycie energii i rachunki - dzięki większej wydajności.
  • Większa niezawodność i wydajność - brak optyki do regulacji lub wyrównywania i brak lamp do wymiany.
  • Minimalna konserwacja.
  • Wyższa produktywność - niższe koszty operacyjne zapewniają większy zwrot z inwestycji.

Metody

Istnieje wiele różnych metod cięcia za pomocą laserów, z różnymi typami używanymi do cięcia różnych materiałów. Niektóre z metod to parowanie, topienie i rozdmuch, topienie i spalanie, pękanie naprężeniowe termiczne, żłobienie, cięcie na zimno i cięcie laserowe stabilizowane spalaniem.

Cięcie odparowujące

Podczas cięcia parą skupiona wiązka nagrzewa powierzchnię materiału do punktu zapłonu i tworzy dziurkę od klucza. Dziurka od klucza prowadzi do nagłego wzrostu chłonności, szybko pogłębiając dziurę. W miarę pogłębiania się otworu i wrzenia materiału generowana para powoduje erozję stopionych ścian, wydmuchując wyrzutnię i dodatkowo powiększając otwór. Tą metodą są zwykle cięte materiały nietopliwe, takie jak drewno, węgiel i termoutwardzalne tworzywa sztuczne.

Rozpuść i dmuchnij

Cięcie metodą topienia i rozdmuchiwania lub stapiania wykorzystuje gaz pod wysokim ciśnieniem do wydmuchiwania stopionego materiału z obszaru cięcia, co znacznie zmniejsza zapotrzebowanie na moc. Najpierw materiał jest podgrzewany do temperatury topnienia, a następnie strumień gazu wydmuchuje stopiony materiał ze szczeliny, unikając konieczności dalszego podnoszenia temperatury materiału. Materiały cięte w tym procesie to zazwyczaj metale.

Pękanie naprężeniowe termiczne

Kruche materiały są szczególnie wrażliwe na pękanie termiczne, cechę wykorzystywaną w pękaniu naprężeniowym termicznym. Wiązka skupia się na powierzchni, powodując miejscowe nagrzewanie i rozszerzalność cieplną. Powoduje to pęknięcie, które można następnie prowadzić, przesuwając belkę. Pęknięcie można przesuwać w kolejności m / s. Zwykle jest używany do cięcia szkła.

Ukradkowe krojenie płytek krzemowych w kostkę

Oddzielenie chipów mikroelektronicznych przygotowanych w produkcji urządzeń półprzewodnikowych od płytek krzemowych można przeprowadzić w tzw. Procesie stealth dicing, który działa z impulsowym laserem Nd: YAG , którego długość fali (1064 nm) jest dobrze dostosowana do elektroniki. pasmo wzbronione z krzemu (1,11 eV lub 1117 nM).

Cięcie reaktywne

Nazywany również „cięciem gazowym stabilizowanym spalaniem”, „cięciem płomieniowym”. Cięcie reaktywne jest podobne do cięcia palnikiem tlenowym, ale źródłem zapłonu jest wiązka laserowa. Stosowany głównie do cięcia stali węglowej o grubości powyżej 1 mm. Proces ten można stosować do cięcia bardzo grubych blach stalowych przy stosunkowo niewielkiej mocy lasera.

Tolerancje i wykończenie powierzchni

Wycinarki laserowe posiadają dokładność pozycjonowania 10 mikrometrów i powtarzalność 5 mikrometrów.

Standardowa chropowatość Rz rośnie wraz z grubością blachy, ale maleje wraz z mocą lasera i prędkością cięcia . Przy cięciu stali niskowęglowej o mocy lasera 800 W standardowa chropowatość Rz wynosi 10 μm dla blachy o grubości 1 mm, 20 μm dla 3 mm i 25 μm dla 6 mm.

Gdzie: grubość blachy stalowej w mm; moc lasera w kW (niektóre nowe wycinarki laserowe mają moc lasera 4 kW); prędkość cięcia w metrach na minutę.

Ten proces jest w stanie utrzymać dość wąskie tolerancje , często do 0,001 cala (0,025 mm). Geometria części i wytrzymałość mechaniczna maszyny mają wiele wspólnego z możliwościami tolerancji. Typowe wykończenie powierzchni wynikające z cięcia wiązką laserową może wynosić od 125 do 250 mikrocali (0,003 mm do 0,006 mm).

Konfiguracje maszyn

Dwupaletowy laser z optyką latającą
Głowica laserowa z optyką latającą

Istnieją generalnie trzy różne konfiguracje przemysłowych maszyn do cięcia laserowego: ruchomy materiał, hybryda i latająca optyka. Odnoszą się one do sposobu, w jaki promień lasera jest przesuwany po ciętym lub przetwarzanym materiale. Dla wszystkich tych, osie ruchu są zazwyczaj oznaczone X i Y . Jeśli głowicą tnącą można sterować, jest ona oznaczana jako oś Z.

Lasery do przemieszczania materiału posiadają stacjonarną głowicę tnącą i przesuwają materiał pod nią. Ta metoda zapewnia stałą odległość od generatora laserowego do przedmiotu obrabianego i pojedynczy punkt, z którego usuwa się ścieki po cięciu. Wymaga mniejszej optyki, ale wymaga przesunięcia przedmiotu obrabianego. Maszyny tego typu mają zwykle najmniejszą liczbę optyki dostarczania wiązki, ale są też najwolniejsze.

Lasery hybrydowe zapewniają stół, który porusza się w jednej osi (zwykle osi X) i przesuwa głowicę wzdłuż krótszej (Y) osi. Skutkuje to bardziej stałą długością ścieżki dostarczania wiązki niż latająca maszyna optyczna i może pozwolić na prostszy system dostarczania wiązki. Może to skutkować mniejszymi stratami mocy w systemie dostarczania i większą wydajnością na wat niż latające maszyny optyczne.

Latające lasery optyczne są wyposażone w nieruchomy stół i głowicę tnącą (z wiązką lasera), która porusza się po obrabianym elemencie w obu wymiarach poziomych. Latające frezy optyczne utrzymują obrabiany przedmiot nieruchomo podczas obróbki i często nie wymagają mocowania materiału. Ruchoma masa jest stała, więc zmienna wielkość obrabianego przedmiotu nie wpływa na dynamikę. Latające maszyny optyczne są najszybszym rodzajem, co jest korzystne przy cięciu cieńszych elementów.

Latające maszyny optyczne muszą stosować jakąś metodę, aby uwzględnić zmieniającą się długość wiązki z cięcia pola bliskiego (bliskiego rezonatora) na cięcie pola dalekiego (z dala od rezonatora). Typowe metody kontrolowania tego obejmują kolimację, optykę adaptacyjną lub użycie osi o stałej długości wiązki.

Maszyny pięcio i sześcioosiowe umożliwiają również cięcie uformowanych elementów. Ponadto istnieją różne metody orientowania promienia lasera na kształtowany przedmiot, z zachowaniem odpowiedniej odległości ogniskowania i odległości dyszy itp.

Pulsuje

Lasery impulsowe, które zapewniają wyrzut energii o dużej mocy przez krótki czas, są bardzo skuteczne w niektórych procesach cięcia laserowego, szczególnie w przypadku przebijania lub gdy wymagane są bardzo małe otwory lub bardzo niskie prędkości cięcia, ponieważ w przypadku stosowania stałej wiązki laserowej, ciepło może osiągnąć punkt stopienia całego ciętego kawałka.

Większość laserów przemysłowych ma możliwość pulsowania lub cięcia CW (fali ciągłej) pod kontrolą programu NC ( sterowanie numeryczne ).

Lasery z podwójnym pulsem wykorzystują szereg par impulsów, aby poprawić szybkość usuwania materiału i jakość otworu. Zasadniczo pierwszy impuls usuwa materiał z powierzchni, a drugi zapobiega przywieraniu wypychacza do boku otworu lub cięcia.

Pobór energii

Główną wadą cięcia laserowego jest duże zużycie energii. Wydajność lasera przemysłowego może wynosić od 5% do 45%. Zużycie energii i wydajność każdego konkretnego lasera będą się różnić w zależności od mocy wyjściowej i parametrów roboczych. Zależy to od typu lasera i tego, jak dobrze laser jest dopasowany do wykonywanej pracy. Ilość wymaganej mocy cięcia laserem, nazywanej dopływem ciepła , dla określonego zadania zależy od rodzaju materiału, grubości, zastosowanego procesu (reaktywny / obojętny) i żądanej szybkości cięcia.

Ilość doprowadzanego ciepła wymagana dla różnych materiałów o różnych grubościach przy użyciu CO
2
laser [waty]
Materiał Grubość materiału
0,51 mm 1,0 mm 2,0 mm 3,2 mm 6,4 mm
Stal nierdzewna 1000 1000 1000 1500 2500
Aluminium 1000 1000 1000 3800 dziesięć tysięcy
Stal miękka - 400 - 500 -
Tytan 250 210 210 - -
Sklejka - - - - 650
Bor / epoksyd - - - 3000 -

Produkcja i wskaźniki cięcia

Maksymalna prędkość skrawania (szybkość produkcji) jest ograniczona wieloma czynnikami, w tym mocą lasera, grubością materiału, rodzajem procesu (reaktywny lub obojętny) oraz właściwościami materiału. Typowe systemy przemysłowe (≥1 kW) tną stal węglową o grubości od 0,51 do 13 mm . Z wielu powodów laser może być do trzydziestu razy szybszy niż standardowe cięcie.

Wskaźniki cięcia przy użyciu CO
2
laser [cm / sekundę]
Materiał obrabiany Grubość materiału
0,51 mm 1,0 mm 2,0 mm 3,2 mm 6,4 mm 13 mm
Stal nierdzewna 42.3 23,28 13,76 7.83 3.4 0,76
Aluminium 33,87 14,82 6.35 4.23 1.69 1.27
Stal miękka - 8.89 7.83 6.35 4.23 2.1
Tytan 12.7 12.7 4.23 3.4 2.5 1.7
Sklejka - - - - 7.62 1.9
Bor / epoksyd - - - 2.5 2.5 1.1

Zobacz też

Bibliografia

Bibliografia