LASEROVÉ ŘEZENÍ: Z PRVNÍCH PRINCIPŮ DO STAVU UMĚNÍ

Abstraktní

  Tento článek představuje přehled tématu řezání laserem. Zahrnuté předměty zahrnují; Laserové interakce, různé typy laserů, technický a komerční růst řezání laserem a současný stav techniky.

První zásady

  Většina laserových řezů se provádí pomocí lasery CO2 nebo Nd: YAG. Obecné principy řezání jsou podobné u obou typů laserů, i když CO2 z laserů dominuje na trhu z důvodů, které budou popsány později v příspěvku. Základní mechanismus řezání laserem je velmi jednoduchý a lze jej shrnout následovně:

1. Vysílací paprsek s vysokou intenzitou infračerveného světla je generován laserem.

2. Tento paprsek je zaměřen na povrch obrobku pomocí čočky.

3. Zaostřený paprsek zahřívá materiál a vytváří velmi lokalizovanou taveninu (obecně menší než 0,5 mm) v celé hloubce listu.

4. Roztavený materiál se odvádí z oblasti stlačeným proudem plynu, který působí koaxiálně s laserovým paprskem, jak je znázorněno na obr. 1. (Pozn. U některých materiálů může tento plynový paprsek urychlit řezací proces chemickou i fyzickou činností. Například uhlík nebo měkké oceli jsou obecně řezané proudem čistého kyslíku. Oxidační proces iniciovaný laserovým ohřevem vytváří vlastní teplo, což značně zvyšuje účinnost procesu.)

5. Tato lokalizovaná oblast odstraňování materiálu se pohybuje po povrchu listu a vytváří tak řez. Pohyb je dosažen manipulací zaostřeného laserového bodu (CNC zrcadly) nebo mechanickým přesunem listu na tabuli CNC X-Y. K dispozici jsou také "hybridní" systémy, kde se materiál pohybuje v jedné ose a laserová skvrna se pohybuje v druhé. Plně robotické systémy jsou k dispozici pro profilování trojrozměrných tvarů. Nd: YAG lasery mohou používat spíše optické vlákna než zrcadla, ale tato volba není k dispozici pro CO2 s delší vlnovou délkou.

  Obrázek 1. Schéma řezání laserem. Montáž objektivu nebo trysku (nebo obojí) lze nastavit zleva doprava nebo do roviny náčrtu a ven. To umožňuje centralizaci zaostřeného paprsku pomocí trysky. Rovněž lze nastavit vertikální vzdálenost mezi tryskou a objektivem. Než se přesunete k podrobnějšímu popisu procesu řezání, je nyní vhodný čas, abyste shrnuli výhody laserového řezání.

Proces se snižuje vysokou rychlostí ve srovnání s jinými metodami profilování. Například 1500W CO2 laser řeší 2mm silnou měkkou ocel při 7,5mmin-1. Stejný stroj vyřízne 5 mm hrubý akrylový plech při ~ 12 min-1.

B. Ve většině případů (např. Výše ​​uvedené dva příklady) budou řezané díly okamžitě po řezání připraveny k provozu bez jakéhokoliv následného čištění.

C. Šířka řezu (šíře kerf) je velmi úzká (typicky 0,1 až 1,0 mm). Velmi detailní práce lze provést bez omezení minimálního vnitřního poloměru uloženého frézami a podobnými mechanickými metodami.

D. Proces může být plně řízen CNC. To v kombinaci s nedostatkem nutnosti komplexního uspořádání posunu znamená, že změna úlohy z řezné součásti "A" z oceli na řeznou složku "B" z polymeru může být provedena v sekundách. (Poznámka Nd: YAG lasery nemohou řezat většinu plastů, protože jsou transparentní pro Nd: YAG laserové světlo).

E. Ačkoli řezání laserem je tepelný proces, skutečná plocha vyhřívaná laserem je velmi malá a většina tohoto ohřátého materiálu se během řezání odstraní. Proto je tepelný příkon k objemu materiálu velmi nízký, tepelně ovlivněné zóny jsou minimalizovány a tepelné zkreslení je obecně vyloučeno.

F. Jedná se o bezkontaktní proces, což znamená, že materiál potřebuje být jen lehce uchopen nebo jen umístěn pod nosníkem. Flexibilní nebo křehké materiály lze řezat s velkou přesností a při řezání nedeformovat, jako by byly při řezání mechanickými metodami.

G. Vzhledem k CNC charakteru procesu mohou být součásti uspořádány tak, aby byly "hnízděny" velmi blízko sebe. Proto může být materiálový odpad snížen na minimum. V některých případech může být tato zásada prodloužena, dokud není vůbec žádný odpadní materiál mezi podobnými okraji sousedních komponent.

H. Ačkoli jsou kapitálové náklady stroje na řezání laserem podstatné, provozní náklady jsou obecně nízké. Existuje řada průmyslových případů, kdy se velké zařízení zaplatilo za rok.

I. Proces je mimořádně tichý ve srovnání s konkurenčními technikami, faktorem, který zlepšuje pracovní prostředí a efektivitu nebo pracovníky obsluhy.

J. Laserové řezací stroje jsou extrémně bezpečné ve srovnání s mnoha jejich mechanickými protějšky.

Srovnání CO2 a Nd:

YAG laserové řezání. Lasery CO2 a Nd: YAG vytvářejí vysoce intenzivní paprsky infračerveného světla, které mohou být zaměřeny a použity pro řezání.

  Mnoho méně lasery Nd: YAG se prodává jako řezací stroje ve srovnání s lasery CO2. Je to proto, že pro obecné řezné aplikace jsou lasery CO2 nejúčinnější. Nd: YAG lasery jsou preferovány pouze:

A. Pokud je v tenkém materiálu požadována velmi jemná detailní práce.

B. Pokud se mají pravidelně stříhat vysoce odrazné materiály, jako je například měď nebo slitiny stříbra

NEBO

C. Pokud má být optická vlákna použita k přepravě laserového paprsku na obrobek.

  I když lasery CO2 a Nd: YAG vytvářejí infračervené světlo, vlnová délka světla CO2 laseru je desetkrát větší než vlnová délka strojů Nd: YAG (10,6 mikronů a 1,06 mikronů). Protože laserové světlo Nd: YAG má kratší vlnovou délku, má tři výhody oproti CO2 laserovému světlu:

1. Nd: YAG laserové světlo může být zaměřeno na menší místo * než CO2 laserové světlo. To znamená, že lze dosáhnout jemnější a podrobnější práce (např. Ruce okrasných hodin).

2. Nd: YAG laserové světlo se lehce odráží kovovými povrchy. Z tohoto důvodu jsou lasery Nd: YAG vhodné pro práci na vysoce odrazivých kovů, jako je stříbro.

3. Světlo Nd: YAG může procházet sklem (nesmí svítit CO2). To znamená, že vysoce kvalitní skleněné čočky lze použít k zaostření paprsku dolů na minimální velikost *. Také křemenné optické vlákna mohou být použity pro přenášení paprsku relativně dlouhé vzdálenosti na obrobek. To vedlo k rozsáhlému používání laserů Nd: YAG na automobilových výrobních linkách, kde je k dispozici dostatek prostoru na tratích.

  * Poznámka: Je-li použito optické vlákno, může být schopnost laserového světla Nd: YAG zaostřit až na velmi malé místo, pokud je průměrný výkon vyšší než 100 Watt. Zaostřená velikost místa po procházení optickým vláknem může být větší než CO2 laserový bod

  Krátká vlnová délka Nd: YAG laserové světlo má také jednu hlavní nevýhodu:

1. Většina organických materiálů (například plastů, výrobků na bázi dřeva, kůže, přírodních kaučuků atd.) Je průhledná laserovému světlu Nd: YAG. Z tohoto důvodu nemohou být řezány lasery Nd: YAG. Pokud je výkon laseru nízký nebo je velikost zaostřeného místa příliš velká, světlo prochází materiálem, aniž by bylo nutné ho ohřívat natolik, aby jej bylo možné vyříznout. Pokud se zvýší intenzita laserového paprsku, zvýšením výkonu nebo zmenšením velikosti bodů bude materiál nakonec reagovat lokalizovanou explozí, která může způsobit slzu nebo otvor.

  Situace s anorganickými nekovy (např. Keramika, brýle, uhlík apod.) Je poměrně složitá. CO2 mohou být použity k řezání velké části těchto materiálů, ale stroje Nd: YAG mohou opět narazit na problémy s průhledností materiálů (to platí například pro sklo a křemen). Jedním z příkladů úspěchu pro oba typy laserů je profilování keramických substrátů pro elektronický průmysl. V některých případech mohou anorganické plnidla, které se používají k barvení nebo tvrdnutí plastů, je vhodná pro řezání Nd: YAG. Obecně se však řezání polymerů provádí pouze lasery s CO2.

V souhrnu mohou být lasery Nd: YAG použity k řezání jemných detailů nebo mohou být použity s optickým vláknem, v takovém případě nebudou jemné detaily možné (vyjma řezání fólií nebo tenkých masek při nižším výkonu). Jsou zvláště vhodné pro řezání slitin s vysokou odrazivostí, ale nemohou omezit mnoho nekovů.

  Na druhou stranu, CO2 lasery jsou obvykle levnější výrobní cestou, a proto jsou podporovány pro obecné technické účely. CO2 lasery mají také tu výhodu, že mohou řezat širší škálu materiálů od kovů po polymery a dřevo.

Řezné mechanismy

  Řezací mechanismy mohou laserové řezané materiály různými mechanismy, které jsou popsány níže. Podkapitola každého řezacího mechanismu obsahuje zmínku o skupinách řezaných materiálů a o tom, které z laserů se jedná.

  Střihání taveniny nebo řezání fúzí (většina kovů a termoplastů - lasery CO2 a Nd: YAG)

  Obrázek 2 je schéma procesu střihání taveniny nebo řezání fúzí. (Také označováno jako "řezání inertním plynem"). [1] V tomto případě se soustředěný laserový paprsek taví obrobek a tavenina se vytáhne ze spodní části řezumechanické působení trysky řezného plynu. Materiály, které jsou tímto způsobem řezány, zahrnují většinu těch, které mohou být roztaveny, tj. Kovy a termoplasty. K laserovému řezání těchto materiálů úspěšně potřebujeme vybrat náš řezací plyntyp a tlak pečlivě.

  Typ řezného plynu se volí v závislosti na reaktivní povaze řezaného materiálu, tj.

  Roztavené termoplasty chemicky nereagují s dusíkem nebo kyslíkem a stlačený vzduch může být použit jako řezací plyn.

  Roztavená nerezová ocel reaguje s kyslíkem, ale ne s dusíkem, a proto se v tomto případě používá dusík.

  Roztavený titan reaguje s kyslíkem nebo dusíkem a proto se jako řezací plyn používá argon (který je chemicky inertní).

  Tlak použitého plynu také závisí na řezaných materiálech, to znamená, že odstranění roztaveného polymeru z řezné zóny (při řezání například z nylonu) nevyžaduje vysokotlaký plynový paprsek a tak tlak přívoduřezná hlava může být v rozmezí 2-6 barů. Roztavená nerezová ocel na druhé straně vyžaduje značně více mechanického tahu pro jeho odstranění z řezné zóny, takže použité napájecí tlaky budou v rozsahu 8 až 14 barůpožadovaný tlak se zvyšuje s tloušťkou oceli).