Laserový řezací stroj

Obrys

• Parametry zpracování materiálu

• Popis procesu

• Mechanismy řezání laserem

Vliv hustoty výkonu

• Hustota výkonu je klíčový proces

• Hustota výkonu (intenzita) = P / pr2

Procesní proměnné pro zpracování materiálu

• Další důležité procesní proměnné:

Doba interakce a graf empirického procesu

• Doba interakce, t = 2 r / v

kde r = poloměr nosníku a v = rychlost

Konstrukční ocel

Řezání

• Laserové řezání je schopno řezat rychleji a kvalitněji než konkurenční procesy:

- Punch, plazma, abrazivní vodní paprsek, ultrazvukové, oxyflame, řezání a frézování

• Může být automatizováno

• 80% průmyslové lasery v Japonsku se používají pro řezání kovů

Typické nastavení řezání

Procesní charakteristiky

• Jedná se o jeden z rychlejších řezacích procesů.

• Obrobek nepotřebuje upínání, ale je žádoucí držení dílu, aby se zabránilo posunu při akceleraci stolu a při lokalizaci při použití CNC programu.

• Opotřebení nástroje je nulové, jelikož proces je proces obrábění bez kontaktu.

• Řezy mohou být prováděny v jakémkoliv směru. Polarizace může ovlivnit efektivitu procesu.

• Hladina hluku je nízká.

• Tento proces lze snadno automatizovat s dobrými vyhlídkami na adaptivní řízení v budoucnu.

• Žádné drahé změny nástrojů nejsou převážně "měkké". To jsou jen změny programování. Tento proces je tedy velmi flexibilní.

• Některé materiály mohou být střiženy, ale může dojít k problému svařování mezi vrstvami.

• Téměř všechny technické materiály mohou být řezány. Mohou být drobivé, křehké, elektrické vodiče nebo nevodiče, tvrdé nebo měkké.

- Pouze velmi odrazivé materiály, jako je hliník a měď, mohou představovat problém, ale s řádným řízením paprsku je možné tyto řezy uspokojivě řezat.

Reakce procesu

• Řez může mít velmi úzkou šířku křivek, což značně šetří materiál. (Kerf je šířka řezaného otvoru)

• Řezané hrany mohou být čtvercové a nejsou zaoblené, jako u většiny procesů s vysokým proudem nebo jinými technikami tepelného řezání.

• Řezná hrana může být hladká a čistá. Jedná se o hotový řez, který nevyžaduje žádné další čištění či ošetření.

• Řezaná hrana může být přímo svařena s malou až žádnou povrchovou přípravou.

• Neexistuje žádný břit jako u mechanických řezných technik. Přirozené adheze lze obvykle zabránit.

• Existuje velmi úzká HAZ (tepelně postižená zóna) a velmi tenká zpevněná vrstva o malém μm, zvláště na bezprašných řezech. Existuje zanedbatelné zkreslení.

• Nerezové řezy mohou být vyrobeny v některých materiálech, zejména v těch, které jsou těkavé, jako je dřevo nebo akryl.

• Hloubka řezu závisí na výkonu laseru. 10-20mm je aktuální rozsah pro vysoce kvalitní řezy. Některé vysoce výkonné vláknové lasery by mohly snížit 50 mm.

Dross

Procesní mechanismy

• Světelný paprsek je veden přes naprogramovanou dráhu a odstraňuje se materiál v důsledku několika mechanismů.

• Tavení

- Materiál, který vykazuje roztavenou fázi s nízkou viskozitou, zejména kovy a slitiny, a termoplasty, jsou řezány účinkem ohřevu svazku hustoty výkonu řádově 104Wmm-2

- Tavenina je napomáhána smykovým účinkem proudu inertního nebo aktivního pomocného plynu, což vede k vytvoření roztaveného kanálu přes materiál nazývaný kerf (štěrbina).

• Odpařování

- Vhodné pro materiály, které nejsou snadno roztavené (některé sklenice, keramika a kompozity)

- Materiály lze řezat odpařováním, které je vyvoláno vyšší hustotou výkonu paprsku (> 104Wmm-2)

• Chemická degradace

- V mnoha organických materiálech může vzniknout chemická degradace způsobená zahříváním paprsku.

Mechanismus odstraňování materiálu v různých materiálech

Stříkání taveniny inertním plynem nebo roztavení a vyfukování

Melt and Blow

• Jakmile se vytvoří otvor pro průnik nebo řez se spustí z okraje

• Dostatečně silný tryskový plyn by mohl roztavit roztavený materiál z řezaného křoví, aby se zabránilo dalšímu zvýšení teploty na teplotu varu.

• Řezání pomocí trysky inertního plynu vyžaduje pouze jednu desetinu výkonu potřebného pro odpařování

• Uvědomte si, že poměr latentního tepla tání k odpařování je 1:20.

Modelování procesu

Melt and Blow

• Skupina [P / tV] je konstantní pro řezání daného materiálu daným paprskem.

Řezací akce

• Světelný paprsek dopadá na povrch

- Většina paprsku prochází do díry nebo křídla

- Některé se odrážejí z neleštěného povrchu

- někteří mohou projít rovnou.

• Při pomalých rychlostech začíná tavenina na přední hraně paprsku a většina paprsku prochází čistou částí bez dotyku, pokud je materiál dostatečně tenký.

Podrobný mechanismus foukání tavení

• Absorpce se provádí dvěma mechanismy:

- Především absorpcí Fresnel, tj. Přímou interakcí paprsku s materiálem -

- Plasmovou absorpcí a opakovanou dávkou. Plazma vzniká při řezání není příliš důležitá kvůli tomu, že plyn vyfouká.

• Hustota výkonu na čelní straně řezu je Fsinq. To způsobí tavení, které je pak odvzdušněno silami tahu z rychle proudícího proudu plynu.

• V dolní části je tavenina tlustá kvůli zpomalení fólie a povrchovému napětí zpomalující taveninu při opuštění.

• Proud plynu vysouvá roztavené kapičky na bázi

řezání do atmosféry.

Vytvoření strizení

• Při zvýšení řezné rychlosti je paprsek automaticky spojen s obrobkem efektivněji kvůli sníženým ztrátám v kerf.

• Také nosník má sklon k jízdě dopředu na nehořlavý materiál. Když k tomu dojde, hustota výkonu se zvyšuje, protože povrch není skloněn.

• Tavenina postupuje rychleji a je posunuta dolů do kerf jako krok. Jakmile je krok zatažený, zanechává za okrajem značku nazvanou pruhy.

• Příčina střihů je sporná, existuje mnoho teorií:

- Teorie kroků

- kritická velikost kapiček, která způsobuje, že tavenina pulsuje ve velikosti předtím, než může být vyfukována

- Teorie bočně hořící.

• Existují podmínky, při kterých nedochází k žádné pruhy. Ty se řídí průtokem plynu nebo pulzováním při frekvenci přirozeného pruhu.

Striace

Reaktivní fúzní řezání

• Pokud je pomocný plyn schopen exotermicky reagovat, do procesu se přidá další zdroj tepla.

• Plyn, který prochází skrz kerf, nejen táhne taveninu, ale také reaguje s taveninou.

• Obvykle je reaktivním plynem kyslík nebo směs obsahující kyslík.

• Hořící reakce začíná obvykle při teplotě vznícení nahoře.

• Oxid je tvořen a je vyfukován do kerf a zakryje taveninu dolů, což zpomaluje reakci a může dokonce způsobit zlomení pruhů.

Reaktivní fúze.

• Množství energie dodávané reakcí hoření se mění s materiálem

- u měkké / nerezové oceli je to 60%

- s reaktivním kovem jako je titan je asi 90%.

• Rychlost řezání se může pomocí této techniky zdvojnásobit.

• Typicky je rychlejší řez, menší průnik tepla a lepší kvalita.

• Chemická změna obrobku se může objevit v důsledku reaktivní fúze.

- S titanem to může být kritické, protože okraj bude mít nějaký kyslík v něm a bude těžší a pravděpodobnější praskání.

- U měkké oceli není pozorovatelný účinek s výjimkou velmi tenké ztuhlé vrstvy oxidu na povrchu.

Reactive Fusion ...

• Síra je oxid (místo kovu)

- Měkká ocel dobře proudí a nedrží se na základním kovu

- U nerezavějící oceli je oxid tvořen složkami s vysokou teplotou tání, jako je Cr2O3 (teplota tání ~ 218 ° C), a tím se zmrazí rychleji, což způsobuje problém s trosky.

- Hliník vykazuje podobné chování

• Kvůli reakci na hoření se zavádí další příčina střihů

- Při pomalém řezání (nižší než reakční rychlosti hoření) se dosáhne teploty vznícení a spalování bude probíhat od bodu vznícení, který pokračuje směrem ven ve všech směrech.

Striace při řezání reaktivním jádrem

Kontrolovaný proces zlomeniny

• křehký materiál je citlivý na tepelné zlomeniny, může být rychle a úhledně odříznut vedením trhliny s jemným bodem vyhřívaným laserem

• Laser ohřívá malý objem povrchu, což způsobuje jeho roztažení, a tudíž způsobuje napětí v tahu všude kolem

• Pokud dojde k prasknutí v tomto prostoru, působí jako stresovač a prasknutí bude pokračovat směrem k horkému bodu

• Rychlost, s jakou může být trhlina vedena, je řádu m / s

• Když se trhlina blíží okraji, stresové pole se stávají složitějšími

Kontrolovaná zlomenina

• Výhody:

- Rychlost, kvalita hran a přesnost jsou velmi dobré při řezání skla.

- Účinný pro rovný řez

• Nevýhody:

- Obtížné vytvářet profilované řezy, jako například pro výrobu zrcátek s křídly automobilu

- Obtížné modelovat a předvídat v blízkosti okrajů

Rozsah zpracování pro řízenou zlomeninu

Scribing

• Jedná se o proces vytváření drážky nebo řady otvorů, které zcela nebo částečně pronikají

• To dostatečně oslabuje strukturu tak, aby mohlo být mechanicky rozlomeno

• Obvykle jsou zpracovávány materiály ze silikonových třísek a substrátů z oxidu hlinitého

• Kvalita je měřena nedostatkem odpadu a oblastí s nízkým ohněm

• Takto nízkoenergetické impulsy s vysokou hustotou energie se používají k odstranění materiálu hlavně jako páry

Odstředivé řezání

• Soustředěný paprsek při odpařování nejprve zahřeje povrch na bod varu a vytvoří klíčovou dírku.

• Klíčová dírka způsobuje náhlý nárůst absorptivity v důsledku několika odrazů a otvor se rychle prohlubuje.

• Jak se prohlubuje, vytváří se pára a uniká vyfukování z vývrtu nebo zdi a stabilizuje roztavené stěny otvoru

• Jedná se o obvyklý způsob řezání pro pulzní lasery nebo řezání materiálů, které se neroztaví, jako je dřevo, uhlík a některé plasty.

Vaoporizace

• Rychlost průniku paprsku do obrobku lze odhadnout ze soustředění

výpočet tepelné kapacity za předpokladu

- 1D tepelný tok

- Vedení je ignorováno

- Rychlost pronikání je podobná nebo rychlejší než rychlost vedení

- objem odebrán za sekundu na jednotku plochy = rychlost pronikání, V m / s

Vypařování

Řezání za studena

• Vysoce výkonné lasery s UV-Excimerem vykazují studené řezání

- Energie ultrafialového fotonu je 4,9 eV, což je podobné energii vazby pro mnoho organických materiálů.

- Pokud je taková fotonová struktura zasažena, může se rozlomit

- Když toto záření vyzařuje na plast s dostatečným tokem fotonů, že existuje nejméně jeden foton / vazba, pak materiál zmizí bez ohřevu, čímž opustí otvor bez poškození hran nebo okrajů

Účinky velikosti místa

• Hlavními parametry jsou výkon laseru, rychlost posuvu, velikost skvrn a tloušťka materiálu.

• Bodová velikost působí dvěma způsoby:

- Za prvé, pokles spotové velikosti zvýší hustotu výkonu, která ovlivňuje absorpci a

- Za druhé sníží šířku řezu.

• Lasery se stabilním výkonem a režimy nízké objednávky - obvykle pravé režimy TEMoo výrazně lépe než jiné režimy

Vlnová délka

• Čím kratší je vlnová délka, tím větší absorpční schopnost pro většinu kovů

• Radiační záření YAG je upřednostňováno radiací CO2, ale struktura nejhoršího režimu

YAG lasery je kompenzován

• Vláknové lasery s dobrým světlem by mohly mít výhodu.

souhrn

• Základy řezání laserem

• Mechanismy

• Faktory ovlivňující řezání laserem