Lāzergriešana ir tehnoloģija, kas izmanto lāzeru, lai iztvaicētu materiālus, kā rezultātā tiek nogriezta mala.Lai gan to parasti izmanto rūpnieciskai ražošanai, tagad to izmanto skolas, mazie uzņēmumi, arhitektūra un hobiji.Lāzera griešana darbojas, virzot lieljaudas lāzera izvadi visbiežāk caur optiku.Lāzera optika un CNC (datora ciparu vadība) tiek izmantotas, lai novirzītu lāzera staru uz materiālu.Komerciāls lāzers materiālu griešanai izmanto kustības kontroles sistēmu, lai sekotu materiālam griežamā parauga CNC vai G-kodam.Fokusētais lāzera stars tiek vērsts uz materiālu, kas pēc tam kūst, sadedzina, iztvaiko vai tiek aizpūsts ar gāzes strūklu[1], atstājot malu ar augstas kvalitātes virsmas apdari.
Vēsture
1965. gadā pirmo sērijveida lāzergriešanas iekārtu izmantoja caurumu urbšanai dimanta presformās.Šo mašīnu izgatavoja Rietumu elektrotehnikas pētniecības centrs.[3]1967. gadā briti bija pionieris metālu griešanai ar skābekļa strūklu.[4]1970. gadu sākumā šī tehnoloģija tika ieviesta ražošanā, lai grieztu titānu aviācijas un kosmosa vajadzībām.Tajā pašā laikā CO2 lāzeri tika pielāgoti nemetālu, piemēram, tekstilizstrādājumu, griešanai, jo tajā laikā CO2 lāzeri nebija pietiekami jaudīgi, lai pārvarētu metālu siltumvadītspēju.[5]
Process
Tērauda rūpnieciskā lāzergriešana ar griešanas instrukcijām, kas ieprogrammētas, izmantojot CNC saskarni
Lāzera stars parasti tiek fokusēts, izmantojot augstas kvalitātes objektīvu darba zonā.Stara kvalitātei ir tieša ietekme uz fokusētās vietas izmēru.Fokusētā stara šaurākās daļas diametrs parasti ir mazāks par 0,0125 collām (0,32 mm).Atkarībā no materiāla biezuma ir iespējami 0,004 collas (0,10 mm) izgriezumu platumi.[6]Lai varētu sākt griezt no vietas, kas nav no malas, pirms katra griezuma tiek veikta caurduršana.Pīrsings parasti ietver lielas jaudas impulsa lāzera staru, kas materiālā lēnām izveido caurumu, piemēram, 0,5 collu (13 mm) biezam nerūsējošajam tēraudam aizņemot apmēram 5–15 sekundes.
Lāzera avota koherentās gaismas paralēlie stari bieži ir diapazonā no 0,06 līdz 0,08 collām (1,5–2,0 mm).Šis stars parasti tiek fokusēts un pastiprināts ar objektīvu vai spoguli līdz ļoti mazam apmēram 0,001 collas (0,025 mm) punktam, lai izveidotu ļoti intensīvu lāzera staru.Lai kontūru griešanas laikā panāktu pēc iespējas vienmērīgāku apdari, staru kūļa polarizācijas virziens ir jāpagriež ap kontūrveida sagataves perifēriju.Lokšņu metāla griešanai fokusa attālums parasti ir 1,5–3 collas (38–76 mm).[7]
Lāzergriešanas priekšrocības salīdzinājumā ar mehānisko griešanu ietver vieglāku darba turēšanu un mazāku sagataves piesārņojumu (jo nav griešanas malas, kas varētu tikt piesārņota ar materiālu vai piesārņot materiālu).Precizitāte var būt labāka, jo lāzera stars procesa laikā nenodilst.Ir arī samazināta iespēja deformēt griežamo materiālu, jo lāzersistēmām ir maza siltuma ietekmes zona.[8]Dažus materiālus ir arī ļoti grūti vai neiespējami sagriezt ar tradicionālākiem līdzekļiem.
Metālu griešanai ar lāzeru ir priekšrocības salīdzinājumā ar plazmas griešanu, jo tā ir precīzāka[9] un patērē mazāk enerģijas, griežot lokšņu metālu;tomēr lielākā daļa rūpniecisko lāzeru nevar izgriezt lielāku metāla biezumu, kādu spēj plazma.Jaunākas lāzera iekārtas, kas darbojas ar lielāku jaudu (6000 vati pretstatā agrīno lāzergriešanas iekārtu 1500 vatu nominālajiem rādītājiem) tuvojas plazmas iekārtām, kas spēj izgriezt biezus materiālus, taču šādu iekārtu kapitāla izmaksas ir daudz augstākas nekā plazmas. griešanas mašīnas, kas spēj griezt biezus materiālus, piemēram, tērauda plāksnes.[10]
Veidi
4000 vatu CO2 lāzera griezējs
Lāzergriešanai tiek izmantoti trīs galvenie lāzeru veidi.CO2 lāzers ir piemērots griešanai, urbšanai un gravēšanai.Neodīma (Nd) un neodīma itrija-alumīnija-granāta (Nd:YAG) lāzeri ir identiski pēc stila un atšķiras tikai pēc pielietojuma.Nd tiek izmantots urbšanai un gadījumos, kad nepieciešama liela enerģija, bet mazs atkārtojums.Nd:YAG lāzeru izmanto vietās, kur nepieciešama ļoti liela jauda, kā arī urbšanai un gravēšanai.Metināšanai var izmantot gan CO2, gan Nd/Nd:YAG lāzerus.[11]
CO2 lāzeri parasti tiek “sūknēti”, laižot strāvu caur gāzu maisījumu (līdzstrāvas ierosme) vai izmantojot radiofrekvences enerģiju (ar RF ierosmi).RF metode ir jaunāka un kļuvusi populārāka.Tā kā līdzstrāvas konstrukcijām ir nepieciešami elektrodi dobumā, tie var saskarties ar elektrodu eroziju un elektrodu materiāla pārklājumu uz stikla traukiem un optikas.Tā kā RF rezonatoriem ir ārēji elektrodi, tie nav pakļauti šīm problēmām.CO2 lāzeri tiek izmantoti daudzu materiālu, tostarp titāna, nerūsējošā tērauda, vieglā tērauda, alumīnija, plastmasas, koka, mākslīgā koka, vaska, audumu un papīra, rūpnieciskai griešanai.YAG lāzerus galvenokārt izmanto metālu un keramikas griešanai un griešanai.[12]
Papildus strāvas avotam veiktspēju var ietekmēt arī gāzes plūsmas veids.Parastie CO2 lāzeru varianti ietver ātru aksiālo plūsmu, lēnu aksiālo plūsmu, šķērsplūsmu un plātni.Ātrās aksiālās plūsmas rezonatorā oglekļa dioksīda, hēlija un slāpekļa maisījumu lielā ātrumā cirkulē turbīna vai pūtējs.Šķērsplūsmas lāzeri cirkulē gāzes maisījumu ar mazāku ātrumu, tāpēc ir nepieciešams vienkāršāks pūtējs.Plākšņu vai difūzijas dzesēšanas rezonatoriem ir statisks gāzes lauks, kam nav nepieciešams spiediens vai stikla trauki, tādējādi ietaupot rezerves turbīnas un stikla traukus.
Lāzera ģeneratoram un ārējai optikai (ieskaitot fokusa objektīvu) nepieciešama dzesēšana.Atkarībā no sistēmas izmēra un konfigurācijas siltuma pārpalikums var tikt pārnests ar dzesēšanas šķidrumu vai tieši gaisā.Ūdens ir parasti izmantots dzesēšanas šķidrums, ko parasti cirkulē caur dzesētāju vai siltuma pārneses sistēmu.
lāzera mikrostrūkla ir ūdens strūklas vadīts lāzers, kurā impulsa lāzera stars ir savienots ar zema spiediena ūdens strūklu.To izmanto, lai veiktu lāzergriešanas funkcijas, vienlaikus izmantojot ūdens strūklu, lai vadītu lāzera staru, līdzīgi kā optisko šķiedru, caur kopējo iekšējo atstarošanos.Priekšrocības ir tādas, ka ūdens noņem arī gružus un atdzesē materiālu.Papildu priekšrocības salīdzinājumā ar tradicionālo “sauso” lāzergriešanu ir liels griešanas kubiņos ātrums, paralēla griešana un daudzvirzienu griešana.[13]
Šķiedru lāzeri ir cietvielu lāzeru veids, kas strauji aug metāla griešanas nozarē.Atšķirībā no CO2, Fiber tehnoloģija izmanto cietu pastiprināšanas vidi, nevis gāzi vai šķidrumu.“Sēklu lāzers” rada lāzera staru un pēc tam tiek pastiprināts stikla šķiedras ietvaros.Šķiedru lāzeri, kuru viļņa garums ir tikai 1064 nanometri, rada ārkārtīgi mazu plankumu izmēru (līdz pat 100 reizēm mazāku salīdzinājumā ar CO2), padarot tos par ideāli piemērotu atstarojoša metāla materiāla griešanai.Šī ir viena no galvenajām šķiedras priekšrocībām salīdzinājumā ar CO2.[14]
Šķiedru lāzera griezēja priekšrocības ietver:
Ātri apstrādes laiki.
Samazināts enerģijas patēriņš un rēķini – pateicoties lielākai efektivitātei.
Lielāka uzticamība un veiktspēja – nav regulējamas vai izlīdzinātas optikas un nav jāmaina lampas.
Minimāla apkope.
Iespēja apstrādāt ļoti atstarojošus materiālus, piemēram, varu un misiņu
Augstāka produktivitāte — zemākas darbības izmaksas nodrošina lielāku ieguldījumu atdevi.[15]
Metodes
Ir daudz dažādu metožu griešanai, izmantojot lāzerus, un dažādu materiālu griešanai tiek izmantoti dažādi veidi.Dažas no metodēm ir iztvaicēšana, kausēšana un izpūšana, kausēšanas pūšana un sadedzināšana, termiskā spriegumu plaisāšana, griešana, aukstā griešana un dedzinošā stabilizētā lāzergriešana.
Iztvaikošanas griešana
Iztvaikošanas griešanas laikā fokusētais stars sasilda materiāla virsmu līdz uzliesmošanas punktam un rada atslēgas caurumu.Atslēgas caurums izraisa pēkšņu absorbcijas palielināšanos, ātri padziļinot caurumu.Caurumam padziļinot un materiālam vāroties, radītie tvaiki sagrauj izkausētās sienas, izpūšot caurumu un vēl vairāk palielinot caurumu.Ar šo metodi parasti tiek griezti nekausējoši materiāli, piemēram, koks, ogleklis un termoreaktīva plastmasa.
Izkausē un izpūš
Izkausēšanas un pūšanas vai kausēšanas griešana izmanto augstspiediena gāzi, lai izpūstu izkausētu materiālu no griešanas zonas, ievērojami samazinot enerģijas patēriņu.Vispirms materiāls tiek uzkarsēts līdz kušanas temperatūrai, pēc tam gāzes strūkla izpūš izkausēto materiālu no roba, izvairoties no nepieciešamības vēl vairāk paaugstināt materiāla temperatūru.Ar šo procesu grieztie materiāli parasti ir metāli.
Termiskā sprieguma plaisāšana
Trausli materiāli ir īpaši jutīgi pret termisko lūzumu, ko izmanto termiskā sprieguma plaisāšanā.Uz virsmas tiek fokusēts stars, izraisot lokālu karsēšanu un termisko izplešanos.Tā rezultātā rodas plaisa, kuru pēc tam var vadīt, pārvietojot staru.Plaisu var pārvietot m/s secībā.To parasti izmanto stikla griešanai.
Silīcija vafeļu slepena griešana
Papildu informācija: Vafeļu griešana
Pusvadītāju ierīču ražošanā sagatavoto mikroelektronisko mikroshēmu atdalīšanu no silīcija plāksnēm var veikt ar tā saukto stealth dicking procesu, kas darbojas ar impulsa Nd:YAG lāzeru, kura viļņa garums (1064 nm) ir labi pielāgots elektroniskajam. silīcija joslas sprauga (1,11 eV vai 1117 nm).
Reaktīvā griešana
To sauc arī par “degošu stabilizētu lāzergriešanu ar gāzi”, “griešanu ar liesmu”.Reaktīvā griešana ir kā griešana ar skābekļa lāpu, bet ar lāzera staru kā aizdegšanās avotu.Pārsvarā izmanto oglekļa tērauda griešanai biezumā virs 1 mm.Šo procesu var izmantot, lai grieztu ļoti biezas tērauda plāksnes ar salīdzinoši mazu lāzera jaudu.
Pielaides un virsmas apdare
Lāzera griezēju pozicionēšanas precizitāte ir 10 mikrometri un atkārtojamība 5 mikrometri.[Nepieciešama atsauce]
Standarta raupjums Rz palielinās līdz ar loksnes biezumu, bet samazinās līdz ar lāzera jaudu un griešanas ātrumu.Griežot zema oglekļa tērauda tēraudu ar lāzera jaudu 800 W, standarta raupjums Rz ir 10 μm loksnes biezumam 1 mm, 20 μm 3 mm un 25 μm 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}}}}
Kur: {\displaystyle S=}S = tērauda loksnes biezums mm;{\displaystyle P=}P= lāzera jauda kW (dažiem jauniem lāzergriezējiem lāzera jauda ir 4 kW);{\displaystyle V=}V= griešanas ātrums metros minūtē.[16]
Šis process spēj noturēt diezgan tuvas pielaides, bieži vien 0,001 collas (0,025 mm) robežās.Detaļu ģeometrijai un mašīnas mehāniskajai stabilitātei ir daudz sakara ar tolerances iespējām.Tipiskā virsmas apdare, kas iegūta, griežot lāzera staru, var būt no 125 līdz 250 mikrocollām (0,003–0,006 mm).[11]
Mašīnu konfigurācijas
Divu palešu lidojošās optikas lāzers
Lidojošā optikas lāzera galva
Parasti ir trīs dažādas rūpniecisko lāzergriešanas iekārtu konfigurācijas: kustīga materiāla, hibrīda un lidojošās optikas sistēmas.Tie attiecas uz veidu, kā lāzera stars tiek pārvietots pa griežamo vai apstrādājamo materiālu.Visiem tiem kustības asis parasti tiek apzīmētas ar X un Y asi.Ja griešanas galvu var vadīt, tā tiek apzīmēta kā Z-ass.
Pārvietojamo materiālu lāzeriem ir stacionāra griešanas galviņa un zem tās pārvietojas materiāls.Šī metode nodrošina pastāvīgu attālumu no lāzera ģeneratora līdz sagatavei un vienu punktu, no kura noņemt griešanas notekūdeņus.Tas prasa mazāk optikas, bet prasa pārvietot apstrādājamo priekšmetu.Šai iekārtai parasti ir vismazākais staru piegādes optikas, taču tā mēdz būt arī vislēnākā.
Hibrīdie lāzeri nodrošina galdu, kas pārvietojas pa vienu asi (parasti X asi) un pārvieto galvu pa īsāko (Y) asi.Tā rezultātā staru kūļa piegādes ceļa garums ir nemainīgāks nekā lidojošai optiskai iekārtai, un tas var nodrošināt vienkāršāku staru kūļa piegādes sistēmu.Tas var samazināt piegādes sistēmas jaudas zudumus un lielāku jaudu uz vatu nekā lidojošajām optikas iekārtām.
Lidojošajiem optikas lāzeriem ir stacionārs galds un griešanas galva (ar lāzera staru), kas pārvietojas pa apstrādājamo priekšmetu abos horizontālajos izmēros.Lidojošie optikas griezēji apstrādes laikā notur apstrādājamo priekšmetu nekustīgu un bieži vien nav nepieciešama materiāla nostiprināšana.Kustīgā masa ir nemainīga, tāpēc mainīgais sagataves izmērs neietekmē dinamiku.Lidojošās optikas mašīnas ir ātrākais veids, kas ir izdevīgi griežot plānākas sagataves.[17]
Lidojošām optikas iekārtām ir jāizmanto kāda metode, lai ņemtu vērā mainīgo staru kūļa garumu no tuvā lauka (tuvu rezonatoram) griešanai līdz tālā lauka (tālu no rezonatora) griešanas.Izplatītas metodes tā kontrolei ietver kolimāciju, adaptīvo optiku vai nemainīga staru kūļa garuma ass izmantošanu.
Piecu un sešu asu mašīnas ļauj arī griezt formētas sagataves.Turklāt ir dažādas metodes, kā orientēt lāzera staru uz formas sagatavi, uzturēt pareizu fokusa attālumu un sprauslas attālumu utt.
Pulsējošs
Impulsu lāzeri, kas nodrošina lielas jaudas enerģijas uzliesmojumu uz īsu laiku, ir ļoti efektīvi dažos lāzergriešanas procesos, jo īpaši caurduršanā vai gadījumos, kad ir nepieciešami ļoti mazi caurumi vai ļoti mazs griešanas ātrums, jo, ja tiek izmantots pastāvīgs lāzera stars, karstums var sasniegt tādu punktu, ka viss griežamā gabals izkusīs.
Lielākajai daļai rūpniecisko lāzeru ir iespēja pulsēt vai griezt CW (nepārtraukto vilni) NC (ciparu vadības) programmas vadībā.
Divu impulsu lāzeri izmanto virkni impulsu pāru, lai uzlabotu materiāla noņemšanas ātrumu un caurumu kvalitāti.Būtībā pirmais impulss noņem materiālu no virsmas, bet otrs neļauj izmesti pielipt cauruma vai griezuma malai.[18]
Izlikšanas laiks: 16. jūnijs 2022