Laserskjæring

Laserskjæring er en teknologi som bruker en laser til å fordampe materialer, noe som resulterer i en kuttekant.Selv om den vanligvis brukes til industrielle produksjonsapplikasjoner, brukes den nå av skoler, små bedrifter, arkitektur og hobbyister.Laserskjæring fungerer ved å styre utgangen fra en høyeffektlaser som oftest gjennom optikk.Laseroptikken og CNC (computer numerical control) brukes til å rette laserstrålen til materialet.En kommersiell laser for å kutte materialer bruker et bevegelseskontrollsystem for å følge en CNC- eller G-kode for mønsteret som skal kuttes på materialet.Den fokuserte laserstrålen er rettet mot materialet, som deretter enten smelter, brenner, fordamper bort eller blåses bort av en gassstråle[1] og etterlater en kant med en overflatefinish av høy kvalitet.[2]

I 1965 ble den første produksjonslaserskjæremaskinen brukt til å bore hull i diamantdyser.Denne maskinen ble laget av Western Electric Engineering Research Center.[3]I 1967 var britene banebrytende med laserassistert oksygenstråleskjæring for metaller.[4]På begynnelsen av 1970-tallet ble denne teknologien satt i produksjon for å kutte titan for romfartsapplikasjoner.Samtidig ble CO2-lasere tilpasset til å kutte ikke-metaller, for eksempel tekstiler, fordi CO2-lasere på den tiden ikke var kraftige nok til å overvinne den termiske ledningsevnen til metaller.[5]

Prosess

Industriell laserskjæring av stål med skjæreinstruksjoner programmert gjennom CNC-grensesnittet
Laserstrålen fokuseres vanligvis ved hjelp av en linse av høy kvalitet på arbeidssonen.Kvaliteten på strålen har en direkte innvirkning på den fokuserte punktstørrelsen.Den smaleste delen av den fokuserte strålen er generelt mindre enn 0,0125 tommer (0,32 mm) i diameter.Avhengig av materialtykkelse, er snittbredder så små som 0,004 tommer (0,10 mm) mulig.[6]For å kunne begynne å skjære fra et annet sted enn kanten, gjøres det hull før hvert kutt.Piercing involverer vanligvis en pulserende laserstråle med høy effekt som sakte lager et hull i materialet, og tar for eksempel rundt 5–15 sekunder for 0,5 tommer tykt (13 mm) rustfritt stål.

De parallelle strålene av koherent lys fra laserkilden faller ofte i området mellom 0,06–0,08 tommer (1,5–2,0 mm) i diameter.Denne strålen er normalt fokusert og forsterket av en linse eller et speil til en veldig liten flekk på omtrent 0,001 tommer (0,025 mm) for å skape en veldig intens laserstråle.For å oppnå en jevnest mulig finish under konturskjæring, må strålepolarisasjonsretningen roteres når den går rundt periferien til et konturformet arbeidsstykke.For skjæring av metallplater er brennvidden vanligvis 1,5–3 tommer (38–76 mm).[7]

Fordeler med laserskjæring fremfor mekanisk skjæring inkluderer lettere arbeidsholding og redusert forurensning av arbeidsstykket (siden det ikke er noen skjærekant som kan bli forurenset av materialet eller forurense materialet).Presisjonen kan være bedre, siden laserstrålen ikke slites under prosessen.Det er også redusert sjanse for å vri materialet som kuttes, da lasersystemer har en liten varmepåvirket sone.[8]Noen materialer er også svært vanskelige eller umulige å kutte på mer tradisjonelle måter.

Laserskjæring for metaller har fordelene fremfor plasmaskjæring ved å være mer presis[9] og bruke mindre energi ved skjæring av metallplater;Imidlertid kan de fleste industrielle lasere ikke skjære gjennom den større metalltykkelsen som plasma kan.Nyere lasermaskiner som opererer med høyere effekt (6000 watt, i motsetning til tidlige laserskjæremaskiners 1500 watt-klassifiseringer) nærmer seg plasmamaskiner i deres evne til å skjære gjennom tykke materialer, men kapitalkostnaden for slike maskiner er mye høyere enn for plasma skjæremaskiner som er i stand til å kutte tykke materialer som stålplater.[10]
Typer

4000 watt CO2 laserkutter
Det er tre hovedtyper av lasere som brukes i laserskjæring.CO2-laseren er egnet for skjæring, boring og gravering.Neodymium (Nd) og neodym yttrium-aluminium-granat (Nd:YAG) lasere er identiske i stil og skiller seg bare i bruk.Nd brukes til kjedelig og hvor høy energi men lav repetisjon kreves.Nd:YAG laseren brukes der det er behov for svært høy effekt og til boring og gravering.Både CO2- og Nd/Nd:YAG-lasere kan brukes til sveising.[11]

CO2-lasere "pumpes" vanligvis ved å føre en strøm gjennom gassblandingen (DC-eksitert) eller ved å bruke radiofrekvensenergi (RF-eksitert).RF-metoden er nyere og har blitt mer populær.Siden DC-design krever elektroder inne i hulrommet, kan de støte på elektrodeerosjon og plettering av elektrodemateriale på glass og optikk.Siden RF-resonatorer har eksterne elektroder, er de ikke utsatt for disse problemene.CO2-lasere brukes til industriell skjæring av mange materialer, inkludert titan, rustfritt stål, bløtt stål, aluminium, plast, tre, konstruert tre, voks, tekstiler og papir.YAG-lasere brukes først og fremst til å kutte og skrive metaller og keramikk.[12]

I tillegg til strømkilden kan typen gassstrøm også påvirke ytelsen.Vanlige varianter av CO2-lasere inkluderer rask aksialstrøm, langsom aksialstrøm, tverrgående strømning og plate.I en hurtig aksial strømningsresonator sirkuleres blandingen av karbondioksid, helium og nitrogen med høy hastighet av en turbin eller blåser.Tverrstrømslasere sirkulerer gassblandingen med lavere hastighet, noe som krever en enklere blåser.Plate- eller diffusjonskjølte resonatorer har et statisk gassfelt som ikke krever trykksetting eller glassvarer, noe som fører til besparelser på erstatningsturbiner og glassvarer.

Lasergeneratoren og ekstern optikk (inkludert fokuslinsen) krever avkjøling.Avhengig av systemstørrelse og konfigurasjon, kan spillvarme overføres av en kjølevæske eller direkte til luft.Vann er en vanlig kjølevæske, vanligvis sirkulert gjennom en kjøler eller varmeoverføringssystem.

En lasermikrojet er en vannstrålestyrt laser der en pulsert laserstråle kobles til en lavtrykksvannstråle.Dette brukes til å utføre laserskjæringsfunksjoner mens vannstrålen brukes til å lede laserstrålen, omtrent som en optisk fiber, gjennom total intern refleksjon.Fordelene med dette er at vannet også fjerner rusk og avkjøler materialet.Ytterligere fordeler i forhold til tradisjonell "tørr" laserskjæring er høye kuttehastigheter, parallelle snitt og rundskjæring.[13]

Fiberlasere er en type faststofflaser som vokser raskt innen metallskjæreindustrien.I motsetning til CO2, bruker Fiberteknologi et solid forsterkningsmedium, i motsetning til en gass eller væske."Seed laser" produserer laserstrålen og blir deretter forsterket i en glassfiber.Med en bølgelengde på bare 1064 nanometer produserer fiberlasere en ekstremt liten punktstørrelse (opptil 100 ganger mindre sammenlignet med CO2), noe som gjør den ideell for å kutte reflekterende metallmateriale.Dette er en av hovedfordelene med fiber sammenlignet med CO2.[14]

Fordelene med fiberlaserkutter inkluderer:

Raske behandlingstider.
Redusert energiforbruk og -regninger – på grunn av større effektivitet.
Større pålitelighet og ytelse – ingen optikk å justere eller justere og ingen lamper som må skiftes ut.
Minimalt vedlikehold.
Evnen til å behandle svært reflekterende materialer som kobber og messing
Høyere produktivitet – lavere driftskostnader gir større avkastning på investeringen din.[15]

Metoder
Det er mange forskjellige metoder for skjæring ved hjelp av laser, med forskjellige typer som brukes til å kutte forskjellige materialer.Noen av metodene er fordamping, smelting og blås, smelteblåsing og brenning, termisk spenningssprekking, rissing, kaldskjæring og brennstabilisert laserskjæring.

Fordampningsskjæring
Ved fordampningsskjæring varmer den fokuserte strålen opp overflaten av materialet til flammepunkt og genererer et nøkkelhull.Nøkkelhullet fører til en plutselig økning i absorpsjonsevnen som raskt utdyper hullet.Når hullet blir dypere og materialet koker, eroderer damp som genereres de smeltede veggene som blåser ut og forstørrer hullet ytterligere.Ikke-smeltende materialer som tre, karbon og herdeplast kuttes vanligvis med denne metoden.
Smelt og blås
Smelte- og blås- eller fusjonsskjæring bruker høytrykksgass for å blåse smeltet materiale fra skjæreområdet, noe som reduserer kraftbehovet betraktelig.Først varmes materialet opp til smeltepunktet, deretter blåser en gassstråle det smeltede materialet ut av snittet og unngår behovet for å øke temperaturen på materialet ytterligere.Materialer kuttet med denne prosessen er vanligvis metaller.

Termisk spenningssprekker
Sprø materialer er spesielt følsomme for termisk brudd, en funksjon som utnyttes ved termisk spenningssprekker.En stråle er fokusert på overflaten og forårsaker lokal oppvarming og termisk ekspansjon.Dette resulterer i en sprekk som deretter kan styres ved å flytte strålen.Sprekken kan flyttes i rekkefølge på m/s.Det brukes vanligvis til skjæring av glass.

Stealth terninger av silisium wafere
Ytterligere informasjon: Wafer terninger
Separasjonen av mikroelektroniske brikker som fremstilt ved fremstilling av halvlederenheter fra silisiumskiver kan utføres ved den såkalte stealth dicing-prosessen, som opererer med en pulset Nd:YAG-laser, hvis bølgelengde (1064 nm) er godt tilpasset den elektroniske båndgap av silisium (1,11 eV eller 1117 nm).

Reaktiv kutting
Også kalt "brennende stabilisert lasergasskjæring", "flammeskjæring".Reaktiv skjæring er som skjæring med oksygenbrenner, men med en laserstråle som tennkilde.Mest brukt til å kutte karbonstål i tykkelser over 1 mm.Denne prosessen kan brukes til å kutte svært tykke stålplater med relativt lite laserkraft.

Toleranser og overflatefinish
Laserskjærere har posisjoneringsnøyaktighet på 10 mikrometer og repeterbarhet på 5 mikrometer.

Standard ruhet Rz øker med arktykkelsen, men avtar med laserkraft og skjærehastighet.Ved skjæring av lavkarbonstål med lasereffekt på 800 W er standard ruhet Rz 10 μm for platetykkelse på 1 mm, 20 μm for 3 mm og 25 μm for 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}}}}
Hvor: {\displaystyle S=}S= stålplatetykkelse i mm;{\displaystyle P=}P= lasereffekt i kW (noen nye laserkuttere har lasereffekt på 4 kW);{\displaystyle V=}V= skjærehastighet i meter per minutt.[16]

Denne prosessen er i stand til å holde ganske nære toleranser, ofte innenfor 0,001 tomme (0,025 mm).Delgeometri og maskinens mekaniske soliditet har mye å gjøre med toleranseegenskaper.Den typiske overflatefinishen som følge av laserstråleskjæring kan variere fra 125 til 250 mikrotommer (0,003 mm til 0,006 mm).[11]

Maskinkonfigurasjoner

Dual-pallet flyvende optikklaser

Flygende optikklaserhode
Det er generelt tre forskjellige konfigurasjoner av industrielle laserskjæremaskiner: bevegelig materiale, hybrid og flygende optikksystemer.Disse refererer til måten laserstrålen beveges over materialet som skal kuttes eller bearbeides.For alle disse er bevegelsesaksene typisk betegnet med X- og Y-akser.Hvis skjærehodet kan styres, er det betegnet som Z-aksen.

Bevegelige materialelasere har et stasjonært skjærehode og flytter materialet under det.Denne metoden gir en konstant avstand fra lasergeneratoren til arbeidsstykket og et enkelt punkt for å fjerne skjæreavløp.Det krever mindre optikk, men krever flytting av arbeidsstykket.Denne stilmaskinen har en tendens til å ha færrest stråleleveringsoptikk, men har også en tendens til å være den tregeste.

Hybridlasere gir et bord som beveger seg i én akse (vanligvis X-aksen) og beveger hodet langs den kortere (Y)-aksen.Dette resulterer i en mer konstant stråleleveringsbanelengde enn en flygende optisk maskin og kan tillate et enklere stråleleveringssystem.Dette kan resultere i redusert effekttap i leveringssystemet og mer kapasitet per watt enn flygende optikkmaskiner.

Flyvende optikklasere har et stasjonært bord og et skjærehode (med laserstråle) som beveger seg over arbeidsstykket i begge de horisontale dimensjonene.Flyvende optikkkuttere holder arbeidsstykket stasjonært under bearbeiding og krever ofte ikke materialklemming.Den bevegelige massen er konstant, så dynamikken påvirkes ikke av varierende størrelse på arbeidsstykket.Flyvende optikkmaskiner er den raskeste typen, noe som er fordelaktig ved skjæring av tynnere arbeidsstykker.[17]

Flyvende optiske maskiner må bruke en eller annen metode for å ta hensyn til den endrede strålelengden fra nærfelt (nær resonator) skjæring til fjernfelt (langt unna resonator) skjæring.Vanlige metoder for å kontrollere dette inkluderer kollimering, adaptiv optikk eller bruk av en konstant strålelengdeakse.

 
Fem- og seksaksede maskiner tillater også å kutte formede arbeidsstykker.I tillegg finnes det ulike metoder for å orientere laserstrålen til et formet arbeidsstykke, opprettholde riktig fokusavstand og dyseavstand osv.

Pulserende
Pulserende lasere som gir et kraftig energiutbrudd i en kort periode er svært effektive i noen laserskjæreprosesser, spesielt for piercing, eller når det kreves veldig små hull eller svært lave skjærehastigheter, siden hvis en konstant laserstråle ble brukt, varmen kan nå et punkt for å smelte hele stykket som kuttes.

De fleste industrielle lasere har evnen til å pulsere eller kutte CW (kontinuerlig bølge) under NC (numerisk kontroll) programkontroll.

Doble pulslasere bruker en serie pulspar for å forbedre materialfjerningshastigheten og hullkvaliteten.I hovedsak fjerner den første pulsen materiale fra overflaten og den andre forhindrer utkastet fra å feste seg til siden av hullet eller kuttet.[18]

Strømforbruk
Den største ulempen med laserskjæring er det høye strømforbruket.Industriell lasereffektivitet kan variere fra 5 % til 45 % [19]Strømforbruket og effektiviteten til en bestemt laser vil variere avhengig av utgangseffekt og driftsparametere.Dette vil avhenge av type laser og hvor godt laseren er tilpasset det aktuelle arbeidet.Mengden laserskjærekraft som kreves, kjent som varmetilførsel, for en bestemt jobb avhenger av materialtype, tykkelse, prosess (reaktiv/inert) som brukes, og ønsket skjærehastighet.