Ang pagpapakilala ng Laser cutting

Ang pagputol ng laser ay isang teknolohiya na gumagamit ng laser upang mag-vaporize ng mga materyales, na nagreresulta sa isang cut edge.Bagama't karaniwang ginagamit para sa mga pang-industriyang aplikasyon sa pagmamanupaktura, ginagamit na ito ngayon ng mga paaralan, maliliit na negosyo, arkitektura, at mga hobbyist.Gumagana ang pagputol ng laser sa pamamagitan ng pagdidirekta sa output ng isang high-power na laser na kadalasang sa pamamagitan ng optika.Ang laser optics at CNC (computer numerical control) ay ginagamit upang idirekta ang laser beam sa materyal.Ang isang komersyal na laser para sa pagputol ng mga materyales ay gumagamit ng isang motion control system upang sundin ang isang CNC o G-code ng pattern na gupitin sa materyal.Ang nakatutok na laser beam ay nakadirekta sa materyal, na pagkatapos ay natutunaw, nasusunog, nag-aalis ng singaw, o tinatangay ng isang jet ng gas, [1] na nag-iiwan ng gilid na may mataas na kalidad na ibabaw

Kasaysayan
Noong 1965, ang unang produksyon ng laser cutting machine ay ginamit upang mag-drill ng mga butas sa diamond dies.Ang makinang ito ay ginawa ng Western Electric Engineering Research Center.[3]Noong 1967, pinasimunuan ng British ang laser-assisted oxygen jet cutting para sa mga metal.[4]Noong unang bahagi ng 1970s, ang teknolohiyang ito ay inilagay sa produksyon upang i-cut ang titanium para sa mga aplikasyon ng aerospace.Kasabay nito, ang mga CO2 laser ay iniakma upang maputol ang mga hindi metal, tulad ng mga tela, dahil, noong panahong iyon, ang mga CO2 laser ay hindi sapat na makapangyarihan upang madaig ang thermal conductivity ng mga metal.[5]

Proseso

Industrial laser cutting ng bakal na may mga tagubilin sa paggupit na naka-program sa pamamagitan ng interface ng CNC
Ang laser beam ay karaniwang nakatutok gamit ang isang mataas na kalidad na lens sa work zone.Ang kalidad ng beam ay may direktang epekto sa nakatutok na laki ng lugar.Ang pinakamaliit na bahagi ng nakatutok na sinag ay karaniwang mas mababa sa 0.0125 pulgada (0.32 mm) ang lapad.Depende sa kapal ng materyal, posible ang mga lapad ng kerf na kasing liit ng 0.004 pulgada (0.10 mm).[6]Upang makapagsimulang maggupit mula sa ibang lugar maliban sa gilid, ang isang butas ay ginagawa bago ang bawat hiwa.Karaniwang kinasasangkutan ng pagbubutas ang isang high-power pulsed laser beam na dahan-dahang gumagawa ng butas sa materyal, na tumatagal ng humigit-kumulang 5–15 segundo para sa 0.5-pulgada (13 mm) na hindi kinakalawang na asero, halimbawa.

Ang magkakatulad na sinag ng magkakaugnay na liwanag mula sa pinagmumulan ng laser ay madalas na nasa hanay sa pagitan ng 0.06–0.08 pulgada (1.5–2.0 mm) ang lapad.Ang sinag na ito ay karaniwang nakatutok at pinatindi ng isang lens o salamin sa isang napakaliit na lugar na humigit-kumulang 0.001 pulgada (0.025 mm) upang lumikha ng napakatindi na laser beam.Upang makamit ang pinakamakinis na posibleng tapusin sa panahon ng paggupit ng contour, ang direksyon ng polarization ng beam ay dapat na paikutin habang lumilibot ito sa paligid ng isang contoured workpiece.Para sa pagputol ng sheet metal, ang focal length ay karaniwang 1.5–3 pulgada (38–76 mm).[7]

Ang mga bentahe ng laser cutting kaysa sa mechanical cutting ay kinabibilangan ng mas madaling paghawak sa trabaho at pagbawas ng kontaminasyon ng workpiece (dahil walang cutting edge na maaaring mahawa ng materyal o makontamina ang materyal).Ang katumpakan ay maaaring mas mahusay, dahil ang laser beam ay hindi magsuot sa panahon ng proseso.Mayroon ding pinababang pagkakataon na ma-warping ang materyal na pinuputol, dahil ang mga sistema ng laser ay may maliit na lugar na apektado ng init.[8]Ang ilang mga materyales ay napakahirap o imposibleng i-cut sa pamamagitan ng mas tradisyonal na paraan.

Ang pagputol ng laser para sa mga metal ay may mga pakinabang kaysa sa pagputol ng plasma na mas tumpak[9] at gumagamit ng mas kaunting enerhiya kapag naggupit ng sheet metal;gayunpaman, ang karamihan sa mga pang-industriya na laser ay hindi maaaring maputol ang mas malaking kapal ng metal na kaya ng plasma.Ang mga bagong laser machine na nagpapatakbo sa mas mataas na kapangyarihan (6000 watts, bilang kaibahan sa mga unang laser cutting machine na 1500 watt ratings) ay lumalapit sa mga plasma machine sa kanilang kakayahang maghiwa sa mga makapal na materyales, ngunit ang kapital na halaga ng naturang mga makina ay mas mataas kaysa sa plasma. cutting machine na may kakayahang magputol ng makakapal na materyales tulad ng steel plate.[10]

Mga uri

4000 watt CO2 laser cutter
Mayroong tatlong pangunahing uri ng mga laser na ginagamit sa pagputol ng laser.Ang CO2 laser ay angkop para sa pagputol, pagbubutas, at pag-ukit.Ang neodymium (Nd) at neodymium yttrium-aluminium-garnet (Nd:YAG) lasers ay magkapareho sa istilo at magkaiba lamang sa aplikasyon.Ginagamit ang Nd para sa boring at kung saan kailangan ang mataas na enerhiya ngunit mababang pag-uulit.Ang Nd:YAG laser ay ginagamit kung saan kailangan ang napakataas na kapangyarihan at para sa pagbubutas at pag-ukit.Ang parehong CO2 at Nd/Nd:YAG laser ay maaaring gamitin para sa hinang.[11]

Ang mga CO2 laser ay karaniwang "pumped" sa pamamagitan ng pagpasa ng kasalukuyang sa pamamagitan ng gas mix (DC-excited) o paggamit ng radio frequency energy (RF-excited).Ang paraan ng RF ay mas bago at naging mas popular.Dahil ang mga disenyo ng DC ay nangangailangan ng mga electrodes sa loob ng cavity, maaari silang makatagpo ng electrode erosion at plating ng electrode material sa glassware at optika.Dahil ang mga RF resonator ay may mga panlabas na electrodes hindi sila madaling kapitan ng mga problemang iyon.Ang CO2 laser ay ginagamit para sa pang-industriyang pagputol ng maraming materyales kabilang ang titanium, hindi kinakalawang na asero, banayad na bakal, aluminyo, plastik, kahoy, engineered na kahoy, wax, tela, at papel.Ang mga YAG laser ay pangunahing ginagamit para sa paggupit at pagsulat ng mga metal at keramika.[12]

Bilang karagdagan sa pinagmumulan ng kuryente, ang uri ng daloy ng gas ay maaaring makaapekto rin sa pagganap.Kasama sa mga karaniwang variant ng CO2 laser ang mabilis na axial flow, mabagal na axial flow, transverse flow, at slab.Sa isang mabilis na axial flow resonator, ang pinaghalong carbon dioxide, helium at nitrogen ay ipinapaikot sa mataas na bilis ng turbine o blower.Pinapaikot ng mga transverse flow laser ang gas mix sa mas mababang bilis, na nangangailangan ng mas simpleng blower.Ang mga slab o diffusion cooled resonator ay may static na field ng gas na hindi nangangailangan ng pressure o glassware, na humahantong sa pagtitipid sa mga kapalit na turbine at kagamitang babasagin.

Ang laser generator at panlabas na optika (kabilang ang focus lens) ay nangangailangan ng paglamig.Depende sa laki at pagsasaayos ng system, ang basurang init ay maaaring ilipat ng isang coolant o direkta sa hangin.Ang tubig ay isang karaniwang ginagamit na coolant, kadalasang ipinapaikot sa pamamagitan ng chiller o heat transfer system.

Ang laser microjet ay isang water-jet guided laser kung saan ang isang pulsed laser beam ay pinagsama sa isang low-pressure na water jet.Ito ay ginagamit upang magsagawa ng laser cutting function habang ginagamit ang water jet upang gabayan ang laser beam, katulad ng isang optical fiber, sa pamamagitan ng kabuuang panloob na pagmuni-muni.Ang mga bentahe nito ay ang tubig ay nag-aalis din ng mga labi at nagpapalamig sa materyal.Ang mga karagdagang bentahe sa tradisyunal na "dry" laser cutting ay ang mataas na dicing speed, parallel na kerf, at omnidirectional cutting.[13]

Ang mga fiber laser ay isang uri ng solid state laser na mabilis na lumalaki sa loob ng industriya ng pagputol ng metal.Hindi tulad ng CO2, ang Fiber technology ay gumagamit ng solid gain medium, kumpara sa gas o likido.Ang "seed laser" ay gumagawa ng laser beam at pagkatapos ay pinalakas sa loob ng isang glass fiber.Sa wavelength na 1064 nanometer fiber lasers ay gumagawa ng napakaliit na spot size (hanggang sa 100 beses na mas maliit kumpara sa CO2) na ginagawa itong mainam para sa pagputol ng reflective metal na materyal.Ito ay isa sa mga pangunahing bentahe ng Fiber kumpara sa CO2.[14]

Kasama sa mga benepisyo ng fiber laser cutter ang:-

Mabilis na oras ng pagproseso.
Nabawasan ang pagkonsumo ng enerhiya at mga singil – dahil sa higit na kahusayan.
Mas mahusay na pagiging maaasahan at pagganap - walang mga optika upang ayusin o ihanay at walang mga lamp na papalitan.
Minimal na pagpapanatili.
Ang kakayahang magproseso ng mataas na mapanimdim na materyales tulad ng tanso at tanso
Mas mataas na produktibidad – ang mas mababang mga gastos sa pagpapatakbo ay nag-aalok ng mas malaking kita sa iyong puhunan.[15]

Paraan
Mayroong maraming iba't ibang mga pamamaraan sa pagputol gamit ang mga laser, na may iba't ibang uri na ginagamit sa pagputol ng iba't ibang materyal.Ang ilan sa mga pamamaraan ay ang vaporization, melt and blow, melt blow and burn, thermal stress cracking, scribing, cold cutting at burning stabilized laser cutting.

Pagputol ng singaw
Sa vaporization cutting, pinapainit ng nakatutok na beam ang ibabaw ng materyal sa flashpoint point at bumubuo ng keyhole.Ang keyhole ay humahantong sa isang biglaang pagtaas sa absorptivity na mabilis na nagpapalalim sa butas.Habang lumalalim ang butas at kumukulo ang materyal, nabubulok ng singaw ang mga nilusaw na pader na humihinga at lalong nagpapalaki sa butas.Ang hindi natutunaw na materyal tulad ng kahoy, carbon at thermoset na mga plastik ay kadalasang pinuputol ng pamamaraang ito.
Matunaw at pumutok
Gumagamit ang melt and blow o fusion cutting ng high-pressure na gas upang hipan ang natunaw na materyal mula sa cutting area, na lubos na nagpapababa sa power requirement.Una ang materyal ay pinainit hanggang sa natutunaw na punto pagkatapos ay hinipan ng isang gas jet ang tinunaw na materyal palabas ng kerf na iniiwasan ang pangangailangan na itaas pa ang temperatura ng materyal.Ang mga materyales na pinutol sa prosesong ito ay karaniwang mga metal.

Pag-crack ng thermal stress
Ang mga malutong na materyales ay partikular na sensitibo sa thermal fracture, isang tampok na pinagsamantalahan sa thermal stress cracking.Ang isang sinag ay nakatutok sa ibabaw na nagdudulot ng localized heating at thermal expansion.Nagreresulta ito sa isang bitak na maaaring magabayan sa pamamagitan ng paggalaw ng sinag.Ang crack ay maaaring ilipat sa pagkakasunud-sunod ng m/s.Ito ay kadalasang ginagamit sa pagputol ng salamin.

Stealth dicing ng silicon wafers
Karagdagang impormasyon: Wafer dicing
Ang paghihiwalay ng mga microelectronic chip na inihanda sa paggawa ng semiconductor device mula sa mga silicon na wafer ay maaaring isagawa sa pamamagitan ng tinatawag na stealth dicing na proseso, na nagpapatakbo gamit ang pulsed Nd:YAG laser, ang wavelength nito (1064 nm) ay mahusay na inangkop sa electronic band gap ng silicon (1.11 eV o 1117 nm).

Reaktibong pagputol
Tinatawag ding "burning stabilized laser gas cutting", "flame cutting".Ang reactive cutting ay parang oxygen torch cutting ngunit may laser beam bilang pinagmumulan ng ignition.Kadalasang ginagamit para sa pagputol ng carbon steel sa mga kapal na higit sa 1 mm.Ang prosesong ito ay maaaring gamitin upang i-cut ang napakakapal na steel plate na may medyo maliit na laser power.

Mga pagpapaubaya at pagtatapos sa ibabaw
Ang mga laser cutter ay may katumpakan sa pagpoposisyon na 10 micrometers at repeatability ng 5 micrometers.[kailangan ng banggit]

Ang karaniwang pagkamagaspang Rz ay tumataas sa kapal ng sheet, ngunit bumababa sa kapangyarihan ng laser at bilis ng pagputol.Kapag nag-cut ng mababang carbon steel na may laser power na 800 W, ang karaniwang pagkamagaspang na Rz ay 10 μm para sa kapal ng sheet na 1 mm, 20 μm para sa 3 mm, at 25 μm para sa 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}}}}
Kung saan: {\displaystyle S=}S= steel sheet kapal sa mm;{\displaystyle P=}P= laser power sa kW (ilang bagong laser cutter ay may laser power na 4 kW);{\displaystyle V=}V= bilis ng pagputol sa metro kada minuto.[16]

Ang prosesong ito ay may kakayahang humawak ng medyo malapit na pagpapahintulot, kadalasan sa loob ng 0.001 pulgada (0.025 mm).Ang geometry ng bahagi at ang mekanikal na kagalingan ng makina ay may malaking kinalaman sa mga kakayahan sa pagpapaubaya.Ang tipikal na surface finish na nagreresulta mula sa pagputol ng laser beam ay maaaring mula 125 hanggang 250 micro-inches (0.003 mm hanggang 0.006 mm).[11]

Mga pagsasaayos ng makina

Dual-pallet flying optika laser

Lumilipad na optika laser ulo
Sa pangkalahatan, mayroong tatlong magkakaibang configuration ng mga pang-industriyang laser cutting machine: gumagalaw na materyal, hybrid, at flying optics system.Ang mga ito ay tumutukoy sa paraan na ang laser beam ay inilipat sa ibabaw ng materyal na puputulin o ipoproseso.Para sa lahat ng ito, ang mga axes ng paggalaw ay karaniwang itinalagang X at Y axis.Kung ang cutting head ay maaaring kontrolin, ito ay itinalaga bilang Z-axis.

Ang mga gumagalaw na materyal na laser ay may nakatigil na pagputol ng ulo at inililipat ang materyal sa ilalim nito.Ang pamamaraang ito ay nagbibigay ng isang pare-parehong distansya mula sa laser generator sa workpiece at isang solong punto kung saan aalisin ang pagputol ng effluent.Nangangailangan ito ng mas kaunting optika, ngunit nangangailangan ng paglipat ng workpiece.Ang istilong machine na ito ay may pinakamababang beam delivery optics, ngunit malamang din na ang pinakamabagal.

Ang mga hybrid na laser ay nagbibigay ng isang talahanayan na gumagalaw sa isang axis (karaniwan ay ang X-axis) at inililipat ang ulo sa kahabaan ng mas maikling (Y) axis.Nagreresulta ito sa isang mas pare-parehong haba ng daanan ng paghahatid ng beam kaysa sa isang flying optic machine at maaaring magpapahintulot sa isang mas simpleng sistema ng paghahatid ng beam.Maaari itong magresulta sa pagbawas ng pagkawala ng kuryente sa sistema ng paghahatid at higit na kapasidad bawat watt kaysa sa mga flying optics machine.

Nagtatampok ang mga flying optics laser ng isang nakatigil na mesa at isang cutting head (na may laser beam) na gumagalaw sa ibabaw ng workpiece sa parehong pahalang na dimensyon.Ang mga flying optics cutter ay nagpapanatili sa workpiece na nakatigil sa panahon ng pagproseso at kadalasan ay hindi nangangailangan ng materyal na clamping.Ang gumagalaw na masa ay pare-pareho, kaya ang dynamics ay hindi apektado ng iba't ibang laki ng workpiece.Ang mga flying optics machine ay ang pinakamabilis na uri, na kapaki-pakinabang kapag pinuputol ang mas manipis na mga workpiece.[17]

Ang mga lumilipad na optic machine ay dapat gumamit ng ilang paraan upang isaalang-alang ang pagbabago ng haba ng sinag mula sa malapit na field (malapit sa resonator) na pagputol sa malayong field (malayo sa resonator) na pagputol.Kasama sa mga karaniwang pamamaraan para sa pagkontrol dito ang collimation, adaptive optics o ang paggamit ng pare-parehong axis ng haba ng beam.

Ang lima at anim na axis na makina ay nagpapahintulot din sa pagputol ng mga nabuong workpiece.Bilang karagdagan, mayroong iba't ibang mga paraan ng pag-orient ng laser beam sa isang hugis na workpiece, pagpapanatili ng tamang distansya ng focus at nozzle standoff, atbp.

Pumipintig
Ang mga pulsed laser na nagbibigay ng mataas na lakas na pagsabog ng enerhiya para sa maikling panahon ay napakaepektibo sa ilang proseso ng pagputol ng laser, lalo na para sa pagbubutas, o kapag kinakailangan ang napakaliit na butas o napakababang bilis ng paggupit, dahil kung ang isang pare-parehong laser beam ay ginamit, ang init ay maaaring umabot sa punto ng pagkatunaw ng buong pirasong hinihiwa.

Karamihan sa mga pang-industriyang laser ay may kakayahang mag-pulso o mag-cut ng CW (continuous wave) sa ilalim ng kontrol ng programa ng NC (numerical control).

Ang mga double pulse laser ay gumagamit ng isang serye ng mga pares ng pulso upang mapabuti ang bilis ng pag-alis ng materyal at kalidad ng butas.Sa esensya, ang unang pulso ay nag-aalis ng materyal mula sa ibabaw at ang pangalawa ay pumipigil sa ejecta mula sa pagdikit sa gilid ng butas o hiwa.[18]