Лазерная резка

Схема лазерного резака

Воспроизвести медиа

Процесс лазерной резки на листе стали

CAD (вверху) и деталь из нержавеющей стали, вырезанная лазером (внизу)

Лазерная резка - это технология, в которой для резки материалов используется лазер . Хотя обычно он используется для промышленного производства, он начинает использоваться школами, малым бизнесом и любителями. Лазерная резка работает, направляя выход мощного лазера, как правило, через оптику. В лазерной оптике и ЧПУ (ЧПУ) используются , чтобы направить материал или лазерный луч генерируется. Коммерческий лазер для резки материалов использует систему управления движением, чтобы следовать ЧПУ или G-коду шаблона, который будет вырезан на материале. Сфокусированный лазерный луч направляется на материал, который затем плавится, горит, испаряется или уносится струей газа.^[1] оставляя кромку с высококачественной обработкой поверхности. ^[2]

История [ править ]

В 1965 году первый серийный станок для лазерной резки был использован для сверления отверстий в алмазных фильерах . Эта машина была изготовлена Западным исследовательским центром электротехники . ^[3] В 1967 году Великобритания впервые применила кислородно-струйную лазерную резку металлов. ^[4] В начале 1970-х годов эта технология была запущена в производство для резки титана для аэрокосмической промышленности. В то же время CO
2лазеры были адаптированы для резки неметаллов, таких как текстиль , потому что в то время CO
2лазеры не были достаточно мощными, чтобы преодолеть теплопроводность металлов. ^[5]

Процесс [ править ]

Промышленная лазерная резка стали с инструкциями по резке, запрограммированными через интерфейс ЧПУ

Генерация лазерного луча включает стимуляцию лазерного материала электрическими разрядами или лампами в закрытом контейнере. По мере того, как генерирующий материал стимулируется, луч отражается внутрь посредством частичного зеркала, пока не наберет достаточную энергию для выхода в виде потока монохроматического когерентного света. Зеркала или волоконная оптика обычно используются для направления когерентного света на линзу, которая фокусирует свет в рабочей зоне. Самая узкая часть сфокусированного луча обычно меньше 0,0125 дюйма (0,32 мм) в диаметре. В зависимости от толщины материала возможна ширина пропила до 0,004 дюйма (0,10 мм). ^[6]Чтобы можно было начинать резку не с кромки, а с другого края, перед каждым резом делается прожиг. Пирсинг обычно включает в себя мощный импульсный лазерный луч, который медленно проделывает отверстие в материале, например, для нержавеющей стали толщиной 0,5 дюйма (13 мм) занимает около 5–15 секунд .

Параллельные лучи когерентного света от лазерного источника часто попадают в диапазон диаметров 0,06–0,08 дюйма (1,5–2,0 мм). Этот луч обычно фокусируется и усиливается линзой или зеркалом в очень маленькое пятно размером около 0,001 дюйма (0,025 мм) для создания очень интенсивного лазерного луча. Чтобы добиться максимально гладкой поверхности во время контурной резки, направление поляризации луча должно быть изменено, когда он проходит по периферии контурной заготовки. Для резки листового металла фокусное расстояние обычно составляет 1,5–3 дюйма (38–76 мм). ^[7]

Преимущества лазерной резки перед механической резкой включают более легкое удержание обрабатываемой детали и меньшее загрязнение заготовки (поскольку нет режущей кромки, которая могла бы загрязняться материалом или загрязнять материал). Точность может быть лучше, поскольку лазерный луч не изнашивается во время процесса. Также снижается вероятность деформации разрезаемого материала, поскольку лазерные системы имеют небольшую зону термического влияния . ^[8] Некоторые материалы также очень трудно или невозможно разрезать более традиционными способами.

Лазерная резка металлов имеет преимущества перед плазменной резкой, поскольку она более точна ^[9] и потребляет меньше энергии при резке листового металла; однако большинство промышленных лазеров не могут прорезать металл большей толщины, чем плазма. Новые лазерные станки, работающие на более высокой мощности (6000 Вт по сравнению с ранними станками для лазерной резки мощностью 1500 Вт), приближаются к плазменным станкам по способности резать толстые материалы, но капитальные затраты на такие станки намного выше, чем у плазменных. станки для резки толстых материалов, например, стального листа. ^[10]

Типы [ править ]

При лазерной резке используются три основных типа лазеров. CO2лазер подходит для резки, расточки и гравировки. Неодима (Nd) и неодим иттрий-алюминиевый гранат- ( Nd: YAG ) лазеры идентичны по стилю и отличается только в применении. Nd используется для растачивания и там, где требуется высокая энергия, но мало повторений. Nd: YAG-лазер используется там, где требуется очень большая мощность, а также для расточки и гравировки. Оба CO
2и Nd / Nd: YAG лазеры могут использоваться для сварки . ^[11]

CO
2лазеры обычно «накачиваются» путем пропускания тока через газовую смесь (возбуждение постоянным током) или использование радиочастотной энергии (возбуждение RF). Метод РФ новее и становится все более популярным. Поскольку конструкции постоянного тока требуют наличия электродов внутри полости, они могут столкнуться с эрозией электродов и осаждением электродного материала на стеклянной посуде и оптике . Поскольку ВЧ-резонаторы имеют внешние электроды, они не подвержены этим проблемам.CO
2лазеры используются для промышленной резки многих материалов, включая титан, нержавеющую сталь, низкоуглеродистую сталь, алюминий, пластик, дерево, конструкционную древесину, воск, ткани и бумагу. YAG-лазеры в основном используются для резки и скрайбирования металлов и керамики. ^[12]

В дополнение к источнику питания, тип потока газа также может влиять на производительность. Общие варианты CO
2лазеры включают быстрый осевой поток, медленный осевой поток, поперечный поток и пластину. В резонаторе с быстрым осевым потоком смесь диоксида углерода, гелия и азота циркулирует с высокой скоростью с помощью турбины или воздуходувки. Лазеры с поперечным потоком циркулируют газовую смесь с меньшей скоростью, поэтому требуется более простой вентилятор. Резонаторы с пластинчатым или диффузионным охлаждением имеют статическое газовое поле, которое не требует повышения давления или стеклянной посуды, что позволяет сэкономить на замене турбин и стеклянной посуды.

Лазерный генератор и внешняя оптика (включая линзу фокусировки) требуют охлаждения. В зависимости от размера и конфигурации системы отработанное тепло может передаваться хладагентом или непосредственно воздуху. Вода - обычно используемый хладагент, обычно циркулирующий через чиллер или систему теплопередачи.

Лазер микроструйный является водоструйным руководствоваться лазером , в которой импульсный лазерный луч в сочетании струи воды низкого давления. Он используется для выполнения функций лазерной резки при использовании водяной струи для направления лазерного луча, подобно оптическому волокну, через полное внутреннее отражение. Преимущество этого в том, что вода также удаляет мусор и охлаждает материал. Дополнительными преимуществами по сравнению с традиционной «сухой» лазерной резкой являются высокая скорость нарезки кубиками, параллельный пропил и резка во всех направлениях. ^[13]

Волоконные лазеры - это тип твердотельных лазеров, которые быстро развиваются в индустрии резки металлов. В отличие от CO
2, В волоконной технологии используется твердая усиливающая среда, в отличие от газа или жидкости. «Затравочный лазер» излучает лазерный луч, который затем усиливается в стекловолокне. Волоконные лазеры с длиной волны всего 1064 нм производят пятно чрезвычайно малого размера (до 100 раз меньше по сравнению с CO
2), что делает его идеальным для резки отражающих металлических материалов. Это одно из главных преимуществ Fiber по сравнению с CO.
2. ^[14]

Преимущества волоконного лазерного резака:

• Быстрое время обработки.
• Снижение энергопотребления и счетов за счет большей эффективности.
• Повышенная надежность и производительность - нет оптики для регулировки или юстировки и замены ламп.
• Минимальное обслуживание.
• Более высокая производительность - более низкие эксплуатационные расходы обеспечивают большую окупаемость ваших инвестиций. ^[15]

Методы [ править ]

Есть много разных методов резки с использованием лазера, причем разные типы используются для резки разных материалов. Некоторые из методов - это испарение, плавление и продувка, продувка и сжигание расплава, растрескивание под действием термического напряжения, скрайбирование, холодная резка и лазерная резка, стабилизированная горением.

Резка испарением [ править ]

При резке испарением сфокусированный луч нагревает поверхность материала до точки воспламенения и образует замочную скважину. Замочная скважина приводит к внезапному увеличению поглощающей способности, быстро углубляя отверстие. По мере того, как отверстие углубляется и материал закипает, образующийся пар разрушает расплавленные стенки, выдувая выбросы и еще больше увеличивая отверстие. Этим методом обычно режут неплавящиеся материалы, такие как дерево, углерод и термореактивные пластмассы.

Растопить и взорвать [ править ]

При резке плавлением и дутьем или плавлением используется газ под высоким давлением для выдувания расплавленного материала из зоны резки, что значительно снижает потребляемую мощность. Сначала материал нагревается до точки плавления, затем струя газа выдувает расплавленный материал из пропила, избегая необходимости дальнейшего повышения температуры материала. Материалы, вырезанные с помощью этого процесса, обычно являются металлами.

Растрескивание под действием термического напряжения [ править ]

Хрупкие материалы особенно чувствительны к термическому разрушению - особенности, которая используется при растрескивании под действием термического напряжения. Луч фокусируется на поверхности, вызывая локальный нагрев и тепловое расширение. В результате образуется трещина, по которой можно перемещать луч. Трещина может перемещаться со скоростью м / с. Обычно используется при резке стекла.

Скрытное измельчение кремниевых пластин [ править ]

Разделение микроэлектронных чипов, изготовленных при производстве полупроводниковых устройств, из кремниевых пластин может быть выполнено с помощью так называемого скрытого процесса нарезки кубиков, который работает с импульсным Nd: YAG-лазером , длина волны которого (1064 нм) хорошо адаптирована для электронных ширина запрещенной зоны из кремния (1.11 эВ или 1117 нм).

Реактивная резка [ править ]

Также называется «лазерная газовая резка со стабилизированным горением», «газовая резка». 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 с относительно небольшой мощностью лазера.

Допуски и обработка поверхности [ править ]

Лазерные резаки имеют точность позиционирования 10 микрометров и повторяемость 5 микрометров. ^{[ необходима цитата ]}

Стандартная шероховатость Rz увеличивается с толщиной листа, но уменьшается с увеличением мощности лазера и скорости резки . При резке низкоуглеродистой стали мощностью лазера 800 Вт стандартная шероховатость Rz составляет 10 мкм для листа толщиной 1 мм, 20 мкм для 3 мм и 25 мкм для 6 мм.

$${\displaystyle Rz={\frac {12.528\cdot S^{0.542}}{P^{0.528}\cdot V^{0.322}}}}$$

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]${\displaystyle S=}$${\displaystyle P=}$${\displaystyle V=}$

Этот процесс позволяет выдерживать довольно жесткие допуски , часто в пределах 0,001 дюйма (0,025 мм). Геометрия деталей и механическая прочность машины во многом зависят от допусков. Типичная чистота поверхности, получаемая при резке лазерным лучом, может составлять от 125 до 250 микродюймов (от 0,003 до 0,006 мм). ^[11]

Конфигурации машины [ править ]

Обычно существует три различных конфигурации промышленных станков для лазерной резки: движущийся материал, гибридная система и система летающей оптики. Они относятся к способу перемещения лазерного луча по разрезаемому или обрабатываемому материалу. Для всех из них, оси движения , как правило , обозначены Х и Y оси . Если режущей головкой можно управлять, 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 устройства обычно имеет наименьшее количество оптики для доставки луча, но также и самый медленный.

Гибридные лазеры представляют собой стол, который перемещается по одной оси (обычно по оси X) и перемещает головку по более короткой оси (Y). Это приводит к более постоянной длине пути доставки луча, чем у летающей оптики, 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 аппаратов с летающей оптикой.

Лазеры с летающей оптикой имеют стационарный стол и режущую головку (с лазерным лучом), которая перемещается по заготовке в обоих горизонтальных размерах. Фрезы с летающей оптикой удерживают заготовку в неподвижном состоянии во время обработки и часто не требуют зажима материала. Подвижная масса постоянна, поэтому на динамику не влияет изменение размера заготовки. Станки с летающей оптикой - самый быстрый тип, что дает преимущество при резке более тонких деталей. ^[17]

Летающие оптические машины должны использовать какой-то метод, чтобы учесть изменение длины луча от обрезки ближнего поля (близко к резонатору) до обрезки дальнего поля (вдали от резонатора). Общие 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 заготовку определенной формы, поддержание правильного расстояния фокусировки, зазора сопла и т. Д.

Пульсирующий [ править ]

Импульсные лазеры, которые обеспечивают мощный всплеск энергии в течение короткого периода, очень эффективны в некоторых процессах лазерной резки, особенно при прошивке, или когда требуются очень маленькие отверстия или очень низкие скорости резки, поскольку, если использовался постоянный лазерный луч, высокая температура может достигнуть точки плавления всей разрезаемой детали.

Большинство промышленных лазеров имеют возможность импульсного или режущего CW (непрерывная волна) под управлением программы NC ( числовое программное управление).

Двойные импульсные лазеры используют серию пар импульсов для улучшения скорости съема материала и качества отверстий. По сути, первый импульс удаляет материал с поверхности, а второй предотвращает прилипание выброса к стороне отверстия или разреза. ^[18]

Потребляемая мощность [ править ]

Главный недостаток лазерной резки - большое энергопотребление. КПД промышленного лазера может составлять от 5% до 45%. ^[19] Потребляемая мощность и эффективность любого конкретного лазера будут варьироваться в зависимости от выходной мощности и рабочих параметров. Это будет зависеть от типа лазера и от того, насколько хорошо лазер подходит для выполняемой работы. Количество требуемой мощности лазерной резки, известной как подвод тепла , для конкретной работы, зависит от типа материала, толщины, используемого процесса (реактивный / инертный) и желаемой скорости резки.

Скорость производства и резки [ править ]

Максимальная скорость резания (производительность) ограничена рядом факторов, включая мощность лазера, толщину материала, тип процесса (реактивный или инертный) и свойства материала. Общепромышленные системы (≥1 кВт) будут резать углеродистую сталь толщиной от 0,51 до 13 мм . Во многих случаях лазерная резка может работать до 30 раз быстрее, чем стандартная пилка. ^[21]

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

Библиография [ править ]

• Бромберг, Джоан (1991). Лазер в Америке, 1950-1970 гг . MIT Press. п. 202. ISBN. 978-0-262-02318-4.
• Оберг, Эрик; Джонс, Франклин Д .; Horton, Holbrook L .; Райффель, Генри Х. (2004). Справочник машин (27-е изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: ISBN Industrial Press Inc. 978-0-8311-2700-8.
• Тодд, Роберт Х .; Аллен, Делл К .; Альтинг, Лео (1994). Справочное руководство по производственным процессам . ISBN Industrial Press Inc. 0-8311-3049-0.
• Волоконная лазерная резка: полное руководство
• Лазерная резка без света