Introduktionen af ​​laserskæring

Laserskæring er en teknologi, der bruger en laser til at fordampe materialer, hvilket resulterer i en skåret kant.Selvom det typisk bruges til industrielle fremstillingsapplikationer, bruges det nu af skoler, små virksomheder, arkitektur og hobbyfolk.Laserskæring virker ved at styre outputtet fra en højeffektlaser oftest gennem optik.Laseroptikken og CNC (computer numerisk styring) bruges til at rette laserstrålen til materialet.En kommerciel laser til skæring af materialer bruger et bevægelseskontrolsystem til at følge en CNC- eller G-kode for det mønster, der skal skæres på materialet.Den fokuserede laserstråle er rettet mod materialet, som derefter enten smelter, brænder, fordamper væk eller blæses væk af en gasstråle[1] og efterlader en kant med en overfladefinish af høj kvalitet

Historie
I 1965 blev den første produktionslaserskæremaskine brugt til at bore huller i diamantmatricer.Denne maskine blev lavet af Western Electric Engineering Research Center.[3]I 1967 var briterne pionerer med laserassisteret iltstråleskæring til metaller.[4]I begyndelsen af ​​1970'erne blev denne teknologi sat i produktion for at skære titanium til rumfartsapplikationer.Samtidig blev CO2-lasere tilpasset til at skære i ikke-metaller, såsom tekstiler, fordi CO2-lasere på det tidspunkt ikke var kraftige nok til at overvinde den termiske ledningsevne af metaller.[5]

Behandle

Industriel laserskæring af stål med skærevejledning programmeret gennem CNC-grænsefladen
Laserstrålen fokuseres generelt ved hjælp af en linse af høj kvalitet på arbejdszonen.Kvaliteten af ​​strålen har en direkte indflydelse på den fokuserede pletstørrelse.Den smalleste del af den fokuserede stråle er generelt mindre end 0,0125 tommer (0,32 mm) i diameter.Afhængigt af materialets tykkelse er snitbredder så små som 0,004 tommer (0,10 mm) mulige.[6]For at kunne begynde at skære fra et andet sted end kanten, laves der en pierce før hver klipning.Piercing involverer normalt en højeffekt pulserende laserstråle, som langsomt laver et hul i materialet, hvilket tager omkring 5-15 sekunder for for eksempel 0,5 tommer tykt (13 mm) rustfrit stål.

De parallelle stråler af kohærent lys fra laserkilden falder ofte i området mellem 0,06-0,08 tommer (1,5-2,0 mm) i diameter.Denne stråle fokuseres og forstærkes normalt af en linse eller et spejl til en meget lille plet på omkring 0,001 tommer (0,025 mm) for at skabe en meget intens laserstråle.For at opnå den glattest mulige finish under konturskæring skal strålepolarisationsretningen drejes, når den går rundt i periferien af ​​et konturformet emne.Til skæring af metalplader er brændvidden normalt 38-76 mm (1,5-3 tommer).[7]

Fordelene ved laserskæring frem for mekanisk skæring omfatter lettere arbejdshold og reduceret forurening af emnet (da der ikke er nogen skærkant, som kan blive forurenet af materialet eller forurene materialet).Præcisionen kan være bedre, da laserstrålen ikke slides under processen.Der er også en reduceret chance for at vride det materiale, der skæres, da lasersystemer har en lille varmepåvirket zone.[8]Nogle materialer er også meget vanskelige eller umulige at skære med mere traditionelle midler.

Laserskæring til metaller har de fordele i forhold til plasmaskæring, at de er mere præcise[9] og bruger mindre energi ved skæring af metalplader;dog kan de fleste industrielle lasere ikke skære igennem den større metaltykkelse, som plasma kan.Nyere lasermaskiner, der arbejder med højere effekt (6000 watt, i modsætning til tidlige laserskæremaskiners 1500 watt-klassificeringer) nærmer sig plasmamaskiner i deres evne til at skære gennem tykke materialer, men kapitalomkostningerne for sådanne maskiner er meget højere end for plasma skæremaskiner, der er i stand til at skære tykke materialer som stålplade.[10]

Typer

4000 watt CO2 laserskærer
Der er tre hovedtyper af lasere, der bruges til laserskæring.CO2-laseren er velegnet til skæring, boring og gravering.Neodymium (Nd) og neodym yttrium-aluminium-granat (Nd:YAG) lasere er identiske i stil og adskiller sig kun i anvendelse.Nd bruges til at kede, og hvor der kræves høj energi, men lav gentagelse.Nd:YAG laseren bruges hvor der er behov for meget høj effekt og til boring og gravering.Både CO2 og Nd/Nd:YAG lasere kan bruges til svejsning.[11]

CO2-lasere "pumpes" almindeligvis ved at føre en strøm gennem gasblandingen (DC-exciteret) eller ved at bruge radiofrekvensenergi (RF-exciteret).RF-metoden er nyere og er blevet mere populær.Da DC-design kræver elektroder inde i hulrummet, kan de støde på elektrodeerosion og plettering af elektrodemateriale på glasvarer og optik.Da RF-resonatorer har eksterne elektroder, er de ikke tilbøjelige til disse problemer.CO2-lasere bruges til industriel skæring af mange materialer, herunder titanium, rustfrit stål, blødt stål, aluminium, plast, træ, konstrueret træ, voks, tekstiler og papir.YAG-lasere bruges primært til at skære og indskrive metaller og keramik.[12]

Ud over strømkilden kan typen af ​​gasstrøm også påvirke ydeevnen.Almindelige varianter af CO2-lasere omfatter hurtig aksial flow, langsom aksial flow, tværgående flow og plade.I en hurtig aksial strømningsresonator cirkuleres blandingen af ​​kuldioxid, helium og nitrogen ved høj hastighed af en turbine eller blæser.Tværstrømslasere cirkulerer gasblandingen med en lavere hastighed, hvilket kræver en enklere blæser.Plade- eller diffusionskølede resonatorer har et statisk gasfelt, der ikke kræver tryk eller glasvarer, hvilket fører til besparelser på udskiftningsturbiner og glasvarer.

Lasergeneratoren og den eksterne optik (inklusive fokuslinsen) kræver afkøling.Afhængigt af systemets størrelse og konfiguration kan spildvarme overføres af et kølemiddel eller direkte til luft.Vand er et almindeligt anvendt kølemiddel, som normalt cirkuleres gennem en køle- eller varmeoverførselssystem.

laser microjet er en vandstrålestyret laser, hvor en pulserende laserstråle er koblet til en lavtryksvandstråle.Dette bruges til at udføre laserskæringsfunktioner, mens vandstrålen bruges til at lede laserstrålen, ligesom en optisk fiber, gennem total intern refleksion.Fordelene ved dette er, at vandet også fjerner snavs og køler materialet.Yderligere fordele i forhold til traditionel "tør" laserskæring er høje skærehastigheder, parallel skæring og omnidirektional skæring.[13]

Fiberlasere er en type faststoflaser, der vokser hurtigt inden for metalskæringsindustrien.I modsætning til CO2 bruger fiberteknologien et fast forstærkningsmedium i modsætning til en gas eller væske."Seed laseren" producerer laserstrålen og forstærkes derefter i en glasfiber.Med en bølgelængde på kun 1064 nanometer producerer fiberlasere en ekstrem lille pletstørrelse (op til 100 gange mindre sammenlignet med CO2), hvilket gør den ideel til skæring af reflekterende metalmateriale.Dette er en af ​​de vigtigste fordele ved fiber sammenlignet med CO2.[14]

Fordelene ved fiberlaserskærer inkluderer:

Hurtige behandlingstider.
Reduceret energiforbrug og regninger – på grund af større effektivitet.
Større pålidelighed og ydeevne – ingen optik, der skal justeres eller justeres, og ingen lamper, der skal udskiftes.
Minimal vedligeholdelse.
Evnen til at behandle stærkt reflekterende materialer som kobber og messing
Højere produktivitet – lavere driftsomkostninger giver et større afkast af din investering.[15]

Metoder
Der er mange forskellige metoder til at skære ved hjælp af lasere, med forskellige typer, der bruges til at skære forskelligt materiale.Nogle af metoderne er fordampning, smeltning og blæs, smelteblæsning og brænding, termisk spændingsrevner, ridsning, koldskæring og brændestabiliseret laserskæring.

Fordampningsskæring
Ved fordampningsskæring opvarmer den fokuserede stråle materialets overflade til flammepunkt og genererer et nøglehul.Nøglehullet fører til en pludselig stigning i absorptionsevnen, der hurtigt uddyber hullet.Efterhånden som hullet bliver dybere, og materialet koger, eroderer den dannede damp de smeltede vægge, der blæser ud og udvider hullet yderligere.Ikke-smeltende materialer såsom træ, kulstof og hærdeplast skæres normalt ved denne metode.
Smelt og blæs
Smelte- og blæse- eller fusionsskæring bruger højtryksgas til at blæse smeltet materiale fra skæreområdet, hvilket i høj grad reducerer strømbehovet.Først opvarmes materialet til smeltepunktet, og derefter blæser en gasstråle det smeltede materiale ud af snittet og undgår behovet for at hæve materialets temperatur yderligere.Materialer skåret med denne proces er normalt metaller.

Termisk spændingsrevner
Skøre materialer er særligt følsomme over for termiske brud, en egenskab, der udnyttes ved termisk spændingsrevner.En stråle er fokuseret på overfladen, hvilket forårsager lokal opvarmning og termisk ekspansion.Dette resulterer i en revne, som derefter kan styres ved at flytte strålen.Revnen kan flyttes i rækkefølge m/s.Det bruges normalt til skæring af glas.

Stealth terninger af silicium wafers
Yderligere information: Wafer terninger
Adskillelsen af ​​mikroelektroniske chips som fremstillet ved fremstilling af halvlederanordninger fra siliciumwafers kan udføres ved den såkaldte stealth dicing-proces, som opererer med en pulseret Nd:YAG-laser, hvis bølgelængde (1064 nm) er godt tilpasset den elektroniske båndgab af silicium (1,11 eV eller 1117 nm).

Reaktiv skæring
Også kaldet "brændende stabiliseret lasergasskæring", "flammeskæring".Reaktiv skæring er som iltbrænderskæring, men med en laserstråle som antændelseskilde.Anvendes mest til skæring af kulstofstål i tykkelser over 1 mm.Denne proces kan bruges til at skære meget tykke stålplader med relativt lidt laserkraft.

Tolerancer og overfladefinish
Laserskærere har en positioneringsnøjagtighed på 10 mikrometer og repeterbarhed på 5 mikrometer.[Redigering nødvendig]

Standard ruhed Rz øges med pladetykkelsen, men falder med laserkraft og skærehastighed.Ved skæring af lavkulstofstål med lasereffekt på 800 W er standardruheden Rz 10 μm for pladetykkelse på 1 mm, 20 μm for 3 mm og 25 μm for 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}}}}
Hvor: {\displaystyle S=}S= stålpladetykkelse i mm;{\displaystyle P=}P= lasereffekt i kW (nogle nye laserskærere har lasereffekt på 4 kW);{\displaystyle V=}V= skærehastighed i meter pr. minut.[16]

Denne proces er i stand til at holde ret tætte tolerancer, ofte inden for 0,001 tomme (0,025 mm).Delgeometri og maskinens mekaniske soliditet har meget at gøre med toleranceevner.Den typiske overfladefinish som følge af laserstråleskæring kan variere fra 125 til 250 mikrotommer (0,003 mm til 0,006 mm).[11]

Maskinkonfigurationer

Dual-pallet flyvende optik laser

Flyvende optik laserhoved
Der er generelt tre forskellige konfigurationer af industrielle laserskæremaskiner: bevægeligt materiale, hybrid- og flyvende optiksystemer.Disse refererer til den måde, laserstrålen bevæges hen over materialet, der skal skæres eller bearbejdes.For alle disse er bevægelsesakserne typisk betegnet X- og Y-akser.Hvis skærehovedet kan styres, er det betegnet som Z-aksen.

Bevægelige materialelasere har et stationært skærehoved og flytter materialet under det.Denne metode giver en konstant afstand fra lasergeneratoren til emnet og et enkelt punkt, hvorfra skærespildevandet fjernes.Det kræver mindre optik, men kræver flytning af emnet.Denne stilmaskine har en tendens til at have færrest stråleleveringsoptik, men har også en tendens til at være den langsomste.

Hybridlasere giver et bord, der bevæger sig i én akse (normalt X-aksen) og bevæger hovedet langs den kortere (Y) akse.Dette resulterer i en mere konstant stråleleveringsvejlængde end en flyvende optisk maskine og kan tillade et enklere stråleleveringssystem.Dette kan resultere i reduceret strømtab i leveringssystemet og mere kapacitet pr. watt end flyvende optikmaskiner.

Flyvende optiklasere har et stationært bord og et skærehoved (med laserstråle), der bevæger sig hen over arbejdsemnet i begge de vandrette dimensioner.Flyvende optiske fræsere holder emnet stationært under bearbejdning og kræver ofte ikke materialefastspænding.Den bevægelige masse er konstant, så dynamikken påvirkes ikke af varierende størrelse af emnet.Flyvende optikmaskiner er den hurtigste type, hvilket er fordelagtigt ved skæring af tyndere emner.[17]

Flyvende optiske maskiner skal bruge en eller anden metode til at tage højde for den skiftende strålelængde fra nærfeltskæring (tæt på resonator) skæring til fjernfeltskæring (langt væk fra resonator).Almindelige metoder til at kontrollere dette inkluderer kollimering, adaptiv optik eller brugen af ​​en konstant strålelængdeakse.

Fem- og seksaksede maskiner tillader også skæring af formede emner.Derudover er der forskellige metoder til at orientere laserstrålen til et formet emne, opretholde en korrekt fokusafstand og dysestandoff osv.

Pulserende
Pulserende lasere, der giver et energiudbrud med høj effekt i en kort periode, er meget effektive i nogle laserskæringsprocesser, især til gennemboring, eller når der kræves meget små huller eller meget lave skærehastigheder, da hvis en konstant laserstråle blev brugt, varmen kunne nå det punkt at smelte hele stykket, der skæres.

De fleste industrielle lasere har evnen til at pulsere eller skære CW (kontinuerlig bølge) under NC (numerisk kontrol) programkontrol.

Dobbeltpulslasere bruger en række pulspar til at forbedre materialefjernelseshastigheden og hulkvaliteten.I det væsentlige fjerner den første puls materiale fra overfladen, og den anden forhindrer udkastet i at klæbe til siden af ​​hullet eller skære.[18]