Внедрение лазерной резки

Лазерная резка — это технология, в которой используется лазер для испарения материалов, в результате чего получается обрезанная кромка.Хотя обычно он используется для промышленного производства, теперь он используется в школах, малых предприятиях, архитектуре и любителях.Лазерная резка работает, направляя выход мощного лазера чаще всего через оптику.Лазерная оптика и ЧПУ (цифровое программное управление) используются для направления лазерного луча на материал.Коммерческий лазер для резки материалов использует систему управления движением, чтобы следовать ЧПУ или G-коду шаблона, который необходимо вырезать на материале.Сфокусированный лазерный луч направляется на материал, который затем плавится, горит, испаряется или сдувается струей газа[1], оставляя кромку с высококачественной поверхностью.

История
В 1965 году для сверления отверстий в алмазных штампах был использован первый серийный станок для лазерной резки.Эта машина была сделана Исследовательским центром Western Electric Engineering.[3]В 1967 году британцы впервые применили лазерную кислородную резку металлов.В начале 1970-х эта технология была запущена в производство для резки титана для аэрокосмических приложений.В то же время CO2-лазеры были адаптированы для резки неметаллов, таких как текстиль, потому что в то время CO2-лазеры не были достаточно мощными, чтобы преодолеть теплопроводность металлов.[5]

Процесс

Промышленная лазерная резка стали с инструкциями по резке, запрограммированными через интерфейс ЧПУ
Лазерный луч, как правило, фокусируется с помощью высококачественной линзы на рабочей зоне.Качество луча напрямую влияет на размер сфокусированного пятна.Самая узкая часть сфокусированного луча обычно имеет диаметр менее 0,0125 дюйма (0,32 мм).В зависимости от толщины материала возможна ширина пропила до 0,004 дюйма (0,10 мм).[6]Чтобы можно было начать резку не с края, а с другой стороны, перед каждым резом делается прожиг.Для прокалывания обычно используется мощный импульсный лазерный луч, который медленно проделывает отверстие в материале, например, для нержавеющей стали толщиной 0,5 дюйма (13 мм) это занимает около 5–15 секунд.

Диаметр параллельных лучей когерентного света от лазерного источника часто находится в диапазоне 0,06–0,08 дюйма (1,5–2,0 мм).Этот луч обычно фокусируется и усиливается линзой или зеркалом до очень маленького пятна размером около 0,001 дюйма (0,025 мм), чтобы создать очень интенсивный лазерный луч.Чтобы получить максимально гладкую поверхность во время контурной резки, направление поляризации луча должно меняться по мере того, как 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 по сравнению с механической резкой заключаются в более легком удерживании заготовки и меньшем загрязнении заготовки (поскольку нет режущей кромки, которая может загрязниться материалом или загрязнить материал).Точность может быть лучше, так как 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: она более точная[9] и требует меньше энергии при резке листового металла;однако большинство промышленных лазеров не могут прорезать металл большей толщины, чем плазма.Новые лазерные станки, работающие с более высокой мощностью (6000 Вт, по сравнению с ранними машинами для лазерной резки мощностью 1500 Вт), приближаются к плазменным машинам по своей способности резать толстые материалы, но капитальные затраты на такие машины намного выше, чем на плазменные. режущие машины, способные резать толстые материалы, такие как стальной лист.[10]

Типы

СО2-лазерный резак мощностью 4000 Вт.
В лазерной резке используются три основных типа лазеров.Лазер CO2 подходит для резки, сверления и гравировки.Лазеры на неодимовом (Nd) и неодимовом иттрий-алюминиевом гранате (Nd:YAG) идентичны по стилю и отличаются только применением.Nd используется для сверления и там, где требуется высокая энергия, но мало повторений.Лазер Nd:YAG используется там, где требуется очень высокая мощность, а также для сверления и гравировки.Для сварки можно использовать как CO2-, так и Nd/Nd:YAG-лазеры.[11]

СО2-лазеры обычно «накачиваются» за счет пропускания тока через газовую смесь (с возбуждением постоянным током) или с использованием радиочастотной энергии (с возбуждением по радиочастоте).Метод RF новее и стал более популярным.Поскольку в конструкциях постоянного тока требуются электроды внутри резонатора, они могут столкнуться с эрозией электродов и отложением материала электрода на стеклянной посуде и оптике.Поскольку резонаторы RF имеют внешние электроды, они не подвержены этим проблемам.Лазеры CO2 используются для промышленной резки многих материалов, включая титан, нержавеющую сталь, мягкую сталь, алюминий, пластик, дерево, инженерную 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.Обычные варианты CO2-лазеров включают быстрый осевой поток, медленный осевой поток, поперечный поток и плиту.В резонаторе с быстрым осевым потоком смесь двуокиси углерода, гелия и азота циркулирует с высокой скоростью с помощью турбины или воздуходувки.Лазеры с поперечным потоком циркулируют газовую смесь с меньшей скоростью, что требует более простого нагнетателя.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 фокусирующую линзу) требуют охлаждения.В зависимости от размера и конфигурации системы отходящее тепло может передаваться хладагентом или непосредственно воздуху.Вода является широко используемым хладагентом, обычно циркулирующим через охладитель или систему теплопередачи.

лазерный микроструйный лазер — это управляемый лазер с водяной струей, в котором импульсный лазерный луч соединяется со струей воды низкого давления.Это используется для выполнения функций лазерной резки при использовании водяной струи для направления лазерного луча, подобно оптическому волокну, через полное внутреннее отражение.Преимущество этого заключается в том, что вода также удаляет мусор и охлаждает материал.Дополнительными преимуществами по сравнению с традиционной «сухой» лазерной резкой являются высокая скорость резки, параллельный пропил и всенаправленная резка.[13]

Волоконные лазеры — это тип твердотельных лазеров, который быстро развивается в металлообрабатывающей промышленности.В отличие от CO2, технология Fiber использует твердую усиливающую среду, а не газ или жидкость.«Затравочный лазер» производит лазерный луч, который затем усиливается в стеклянном волокне.При длине волны всего 1064 нанометра волоконные лазеры производят пятно чрезвычайно малого размера (до 100 раз меньше по сравнению с CO2), что делает их идеальными для резки отражающих металлических материалов.Это одно из основных преимуществ волокна по сравнению с CO2.[14]

Преимущества волоконного лазерного резака включают в себя:

Быстрые сроки обработки.
Снижение энергопотребления и счетов за счет большей эффективности.
Повышенная надежность и производительность — не нужно настраивать или выравнивать оптику и заменять лампы.
Минимальное обслуживание.
Возможность обработки материалов с высокой отражающей способностью, таких как медь и латунь
Более высокая производительность — более низкие эксплуатационные расходы обеспечивают большую отдачу от ваших инвестиций.[15]

Методы
Существует множество различных методов резки с использованием лазеров, причем разные типы используются для резки разных материалов.Некоторыми из методов являются испарение, плавление и продувка, выдувание расплава и сжигание, растрескивание под тепловым напряжением, скрайбирование, холодная резка и лазерная резка со стабилизацией горения.

Испарительная резка
При резке парообразованием сфокусированный луч нагревает поверхность материала до температуры вспышки и создает 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, выбрасывая их наружу и еще больше увеличивая отверстие.Этим методом обычно режут неплавкие материалы, такие как дерево, углерод и термореактивные пластмассы.
Растопить и взорвать
При резке плавлением и раздувом 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, что позволяет избежать дальнейшего повышения температуры материала.Материалы, вырезанные с помощью этого процесса, обычно представляют собой металлы.

Растрескивание под тепловым напряжением
Хрупкие материалы особенно чувствительны к термическому разрушению, которое используется при растрескивании под тепловым напряжением.Луч фокусируется на поверхности, вызывая локальный нагрев и тепловое расширение.Это приводит к трещине, которую затем можно направить, перемещая луч.Трещина может двигаться со скоростью м/с.Обычно используется при резке стекла.

Скрытая нарезка кремниевых пластин
Дополнительная информация: нарезка вафель кубиками.
Отделение микроэлектронных чипов, подготовленных при производстве полупроводниковых устройств, из кремниевых пластин может быть выполнено с помощью так называемого процесса скрытой нарезки, который работает с импульсным Nd:YAG-лазером, длина волны которого (1064 нм) хорошо адаптирована для электронных устройств. ширина запрещенной зоны кремния (1,11 эВ или 1117 нм).

Реактивная резка
Также называется «горящая стабилизированная лазерная газовая резка», «пламенная резка».Реактивная резка похожа на резку кислородной горелкой, но с лазерным лучом в качестве источника возгорания.В основном используется для резки углеродистой стали толщиной более 1 мм.Этот процесс можно использовать для резки очень толстых стальных листов с относительно небольшой мощностью лазера.

Допуски и качество поверхности
Лазерные резаки имеют точность позиционирования 10 микрометров и повторяемость 5 микрометров.

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}}}} {\ displaystyle Rz = {\ frac {12,528 \ cdot S ^ {0,542} }}{P^{0,528}\cdot V^{0,322}}}}
Где: {\ displaystyle S =} S = толщина стального листа в мм;{\ displaystyle P =} P = мощность лазера в кВт (некоторые новые лазерные резаки имеют мощность лазера 4 кВт);{\ displaystyle V =} V = скорость резки в метрах в минуту.[16]

Этот процесс позволяет выдерживать довольно жесткие допуски, часто в пределах 0,001 дюйма (0,025 мм).Геометрия детали и механическая надежность станка во многом зависят от допусков.Типичная чистота поверхности, полученная в результате лазерной резки, может составлять от 125 до 250 микродюймов (от 0,003 до 0,006 мм) [11].

Конфигурации машины

Двухпаллетный лазер с летающей оптикой

Лазерная головка с летающей оптикой
Как правило, существует три различных конфигурации промышленных станков для лазерной резки: системы с движущимся материалом, гибридные системы и системы с летающей оптикой.Они относятся к тому, как лазерный луч перемещается по материалу, подлежащему резке или обработке.Для всех этих осей движения обычно обозначаются оси X и Y.Если режущей головкой можно управлять, она обозначается как ось Z.

Лазеры с движущимся материалом имеют стационарную режущую головку и перемещают материал под ней.Этот метод обеспечивает постоянное расстояние от лазерного генератора до заготовки и единую точку, из которой удаляются отходы резания.Для этого требуется меньше оптики, но требуется перемещение заготовки.Машина этого типа, как правило, имеет наименьшее количество оптики для доставки луча, но также имеет тенденцию быть самой медленной.

Гибридные лазеры представляют собой стол, который перемещается по одной оси (обычно по оси X), а голова перемещается по более короткой оси (Y).Это приводит к более постоянной длине пути доставки луча, чем у летающей оптической машины, 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 машин с летающей оптикой.

Лазеры с летающей оптикой имеют стационарный стол и режущую головку (с лазерным лучом), которая движется над заготовкой в ​​обоих горизонтальных измерениях.Фрезы с летающей оптикой удерживают заготовку в неподвижном состоянии во время обработки и часто не требуют зажима материала.Движущаяся масса постоянна, поэтому изменение размера заготовки не влияет на динамику.Станки с летающей оптикой - самый быстрый тип, что выгодно при резке более тонких заготовок.

Летающие оптические машины должны использовать какой-либо метод для учета изменения длины луча от резки ближнего поля (близко к резонатору) до резки дальнего поля (далеко от резонатора).Общие методы управления этим включают коллимацию, адаптивную оптику или использование оси постоянной длины луча.

Пяти- и шестикоординатные станки также позволяют резать фасонные заготовки.Кроме того, существуют различные методы ориентации лазерного луча на фигурную заготовку, поддержания надлежащего фокусного расстояния и расстояния между соплом и т. д.

пульсирующий
Импульсные лазеры, которые обеспечивают мощный импульс энергии в течение короткого периода времени, очень эффективны в некоторых процессах лазерной резки, особенно при пробивке, или когда требуются очень маленькие отверстия или очень низкая скорость резки, поскольку, если бы использовался постоянный лазерный луч, тепло может достигать точки плавления всего разрезаемого куска.

Большинство промышленных лазеров могут работать в импульсном или непрерывном режиме под управлением программы ЧПУ (числового управления).

Лазеры с двойным импульсом используют серию пар импульсов для повышения скорости съема материала и качества отверстий.По сути, первый импульс удаляет материал с поверхности, а второй предотвращает прилипание выброса к стенке отверстия или разреза.[18]