Prerja me lazer është një teknologji që përdor një lazer për të avulluar materialet, duke rezultuar në një skaj të prerë.Ndërsa përdoret zakonisht për aplikime të prodhimit industrial, tani përdoret nga shkollat, bizneset e vogla, arkitektura dhe hobiistët.Prerja me lazer funksionon duke drejtuar daljen e një lazeri me fuqi të lartë më së shpeshti përmes optikës.Optika lazer dhe CNC (kontrolli numerik kompjuterik) përdoren për të drejtuar rrezen e lazerit në material.Një lazer komercial për prerjen e materialeve përdor një sistem kontrolli lëvizjeje për të ndjekur një kod CNC ose G të modelit që do të pritet në material.Rrezja e përqendruar e lazerit drejtohet te materiali, i cili më pas ose shkrihet, digjet, avullohet ose shpërndahet nga një rrymë gazi, [1] duke lënë një skaj me një përfundim sipërfaqësor me cilësi të lartë.
Historia
Në vitin 1965, makina e parë e prerjes me lazer u përdor për të shpuar vrima në kapakët e diamantit.Kjo makinë është bërë nga Qendra Kërkimore e Inxhinierisë Elektrike Perëndimore.[3]Në vitin 1967, britanikët filluan prerjen me rrymë oksigjeni me ndihmën e lazerit për metalet.[4]Në fillim të viteve 1970, kjo teknologji u vu në prodhim për të prerë titanin për aplikime në hapësirën ajrore.Në të njëjtën kohë lazerët CO2 u përshtatën për të prerë jometalet, të tilla si tekstilet, sepse, në atë kohë, lazerët CO2 nuk ishin mjaftueshëm të fuqishëm për të kapërcyer përçueshmërinë termike të metaleve.[5]
Procesi
Prerje industriale me lazer të çelikut me udhëzime prerje të programuara përmes ndërfaqes CNC
Rrezja lazer në përgjithësi fokusohet duke përdorur një lente me cilësi të lartë në zonën e punës.Cilësia e rrezes ka një ndikim të drejtpërdrejtë në madhësinë e pikës së fokusuar.Pjesa më e ngushtë e rrezes së fokusuar është përgjithësisht më pak se 0,0125 inç (0,32 mm) në diametër.Në varësi të trashësisë së materialit, janë të mundshme gjerësi të kockave deri në 0,004 inç (0,10 mm).[6]Për të filluar prerjen nga diku tjetër përveç buzës, bëhet një shpim para çdo prerjeje.Shpimi zakonisht përfshin një rreze lazer pulsuese me fuqi të lartë, e cila ngadalë bën një vrimë në material, duke marrë rreth 5-15 sekonda për çelik inox me trashësi 0,5 inç (13 mm), për shembull.
Rrezet paralele të dritës koherente nga burimi lazer shpesh bien në intervalin midis 0,06-0,08 inç (1,5-2,0 mm) në diametër.Kjo rreze zakonisht fokusohet dhe intensifikohet nga një lente ose një pasqyrë në një pikë shumë të vogël prej rreth 0,001 inç (0,025 mm) për të krijuar një rreze lazer shumë intensive.Për të arritur përfundimin më të lëmuar të mundshëm gjatë prerjes së konturit, drejtimi i polarizimit të rrezes duhet të rrotullohet ndërsa shkon rreth periferisë së një pjese pune të konturuar.Për prerjen e llamarinës, gjatësia fokale është zakonisht 1,5–3 inç (38–76 mm).[7]
Përparësitë e prerjes me lazer mbi prerjen mekanike përfshijnë mbajtjen më të lehtë të punës dhe ndotjen e reduktuar të pjesës së punës (pasi nuk ka asnjë skaj prerës që mund të kontaminohet nga materiali ose të kontaminojë materialin).Saktësia mund të jetë më e mirë, pasi rrezja lazer nuk konsumohet gjatë procesit.Ekziston gjithashtu një mundësi e reduktuar e shtrembërimit të materialit që pritet, pasi sistemet lazer kanë një zonë të vogël të prekur nga nxehtësia.[8]Disa materiale janë gjithashtu shumë të vështira ose të pamundura për t'u prerë me mjete më tradicionale.
Prerja me laser për metalet ka përparësitë ndaj prerjes plazmatike për të qenë më e saktë[9] dhe duke përdorur më pak energji gjatë prerjes së llamarinës;megjithatë, shumica e lazerëve industrialë nuk mund të presin trashësinë më të madhe të metalit që mundet plazma.Makineritë më të reja lazer që operojnë me fuqi më të lartë (6000 watts, në kontrast me makineritë e hershme prerëse lazer 1500 vat) po i afrohen makinave plazma në aftësinë e tyre për të prerë materiale të trasha, por kostoja kapitale e makinave të tilla është shumë më e lartë se ajo e plazmës. makina prerëse të afta për të prerë materiale të trasha si pllakë çeliku.[10]
Llojet
Prerës me lazer CO2 4000 vat
Ekzistojnë tre lloje kryesore të lazerëve që përdoren në prerjen me lazer.Lazeri CO2 është i përshtatshëm për prerje, mërzitje dhe gdhendje.Lazerët neodymium (Nd) dhe neodymium ittrium-aluminium-garnet (Nd:YAG) janë identik në stil dhe ndryshojnë vetëm në aplikim.Nd përdoret për mërzitje dhe ku kërkohet energji e lartë, por përsëritje e ulët.Lazeri Nd:YAG përdoret aty ku nevojitet fuqi shumë e lartë dhe për gdhendje dhe gdhendje.Të dy lazerët CO2 dhe Nd/Nd:YAG mund të përdoren për saldim.[11]
Lazerët CO2 zakonisht "pompohen" duke kaluar një rrymë përmes përzierjes së gazit (e ngacmuar nga DC) ose duke përdorur energjinë e radiofrekuencës (ngacmuar nga RF).Metoda RF është më e re dhe është bërë më e popullarizuar.Meqenëse dizajnet DC kërkojnë elektroda brenda zgavrës, ato mund të hasin në erozionin e elektrodës dhe veshjen e materialit të elektrodës në enë qelqi dhe optikë.Meqenëse rezonatorët RF kanë elektroda të jashtme, ata nuk janë të prirur ndaj këtyre problemeve.Lazerët CO2 përdoren për prerjen industriale të shumë materialeve duke përfshirë titan, çelik inox, çelik të butë, alumin, plastikë, dru, dru të inxhinieruar, dyll, pëlhura dhe letër.Lazerët YAG përdoren kryesisht për prerjen dhe gërvishtjen e metaleve dhe qeramikës.[12]
Përveç burimit të energjisë, lloji i rrjedhës së gazit mund të ndikojë gjithashtu në performancën.Variantet e zakonshme të lazerëve CO2 përfshijnë rrjedhën e shpejtë boshtore, rrjedhjen e ngadaltë boshtore, rrjedhën tërthore dhe pllakën.Në një rezonator me rrjedhje të shpejtë boshtore, përzierja e dioksidit të karbonit, heliumit dhe azotit qarkullohet me shpejtësi të lartë nga një turbinë ose ventilator.Lazerët me rrjedhje tërthore qarkullojnë përzierjen e gazit me një shpejtësi më të ulët, duke kërkuar një ventilator më të thjeshtë.Rezonatorët e ftohur me pllakë ose me difuzion kanë një fushë gazi statike që nuk kërkon presion ose enë qelqi, duke çuar në kursime në zëvendësimin e turbinave dhe enëve të qelqit.
Gjeneratori i lazerit dhe optika e jashtme (duke përfshirë lentet e fokusit) kërkojnë ftohje.Në varësi të madhësisë dhe konfigurimit të sistemit, nxehtësia e mbeturinave mund të transferohet nga një ftohës ose drejtpërdrejt në ajër.Uji është një ftohës i përdorur zakonisht, zakonisht qarkullon përmes një ftohësi ose sistemi të transferimit të nxehtësisë.
Mikrojet lazer është një lazer i drejtuar me avion uji, në të cilin një rreze lazer pulsuese është e lidhur me një rrymë uji me presion të ulët.Kjo përdoret për të kryer funksionet e prerjes me lazer gjatë përdorimit të rrymës së ujit për të drejtuar rrezen lazer, ashtu si një fibër optike, përmes reflektimit total të brendshëm.Përparësitë e kësaj janë se uji gjithashtu largon mbeturinat dhe ftoh materialin.Përparësitë shtesë mbi prerjen tradicionale me lazer "të thatë" janë shpejtësitë e larta të prerjes në kubikë, krahu paralel dhe prerja e gjithanshme.[13]
Lazerët me fibra janë një lloj lazeri në gjendje të ngurtë që po rritet me shpejtësi në industrinë e prerjes së metaleve.Ndryshe nga CO2, teknologjia e fibrave përdor një medium të ngurtë fitimi, në krahasim me një gaz ose lëng."Lazeri i farës" prodhon rreze lazer dhe më pas përforcohet brenda një fije xhami.Me një gjatësi vale prej vetëm 1064 nanometra, lazerët me fibra prodhojnë një madhësi jashtëzakonisht të vogël të pikës (deri në 100 herë më të vogël në krahasim me CO2) duke e bërë atë ideal për prerjen e materialit metalik reflektues.Ky është një nga avantazhet kryesore të Fibrës në krahasim me CO2.[14]
Përfitimet e prerësit me lazer me fibra përfshijnë:
Koha e shpejtë e përpunimit.
Konsumi dhe faturat e reduktuara të energjisë – për shkak të efikasitetit më të madh.
Besueshmëri dhe performancë më e madhe - pa optikë për t'u rregulluar ose përafruar dhe pa llamba për t'u zëvendësuar.
Mirëmbajtje minimale.
Aftësia për të përpunuar materiale shumë reflektuese si bakri dhe bronzi
Produktivitet më i lartë – kostot më të ulëta operacionale ofrojnë një kthim më të madh në investimin tuaj.[15]
Metodat
Ka shumë metoda të ndryshme në prerjen duke përdorur lazer, me lloje të ndryshme të përdorura për të prerë materiale të ndryshme.Disa nga metodat janë avullimi, shkrirja dhe fryrja, fryrja e shkrirjes dhe djegia, plasaritja e stresit termik, gërvishtja, prerja e ftohtë dhe prerja me lazer e stabilizuar me djegie.
Prerja e avullimit
Në prerjen e avullimit, rreze e fokusuar ngroh sipërfaqen e materialit në pikën e ndezjes dhe gjeneron një vrimë çelësi.Vrima e çelësit çon në një rritje të papritur të përthithjes duke thelluar shpejt vrimën.Ndërsa vrima thellohet dhe materiali vlon, avulli i krijuar gërryen muret e shkrirë duke fryrë duke nxjerrë jashtë dhe duke e zgjeruar më tej vrimën.Materialet që nuk shkrihen si druri, karboni dhe plastika termoset zakonisht priten me këtë metodë.
Shkrihet dhe fryhet
Shkrirja dhe fryrja ose prerja me shkrirje përdor gaz me presion të lartë për të fryrë materialin e shkrirë nga zona e prerjes, duke ulur ndjeshëm kërkesën për energji.Fillimisht materiali nxehet deri në pikën e shkrirjes, më pas një rrymë gazi e nxjerr materialin e shkrirë nga kutia duke shmangur nevojën për të rritur më tej temperaturën e materialit.Materialet e prera me këtë proces janë zakonisht metale.
Plasaritja e stresit termik
Materialet e brishtë janë veçanërisht të ndjeshme ndaj thyerjes termike, një veçori e shfrytëzuar në plasaritjen e stresit termik.Një rreze fokusohet në sipërfaqe duke shkaktuar ngrohje të lokalizuar dhe zgjerim termik.Kjo rezulton në një çarje që më pas mund të drejtohet duke lëvizur rrezen.Plasaritja mund të zhvendoset në rendin m/s.Zakonisht përdoret në prerjen e xhamit.
Prerje vjedhurazi me vafera silikoni
Informacione të mëtejshme: Prerja e vaferës
Ndarja e çipave mikroelektronikë siç përgatitet në fabrikimin e pajisjes gjysmëpërçuese nga vaferat e silikonit mund të kryhet me anë të të ashtuquajturit procesi i prerjes së fshehtë, i cili funksionon me një lazer pulsues Nd:YAG, gjatësia e valës së të cilit (1064 nm) është përshtatur mirë me sistemin elektronik. hendeku i brezit të silikonit (1,11 eV ose 1117 nm).
Prerje reaktive
Quhet gjithashtu "prerje me gaz lazer të stabilizuar me djegie", "prerje me flakë".Prerja reaktive është si prerja me pishtar oksigjeni, por me një rreze lazer si burim ndezjeje.Përdoret kryesisht për prerjen e çelikut të karbonit në trashësi mbi 1 mm.Ky proces mund të përdoret për të prerë pllaka çeliku shumë të trasha me fuqi relativisht të vogël lazer.
Tolerancat dhe përfundimi i sipërfaqes
Prerëset me laser kanë saktësi pozicionimi prej 10 mikrometrash dhe përsëritshmëri prej 5 mikrometrash.
Vrazhdësia standarde Rz rritet me trashësinë e fletës, por zvogëlohet me fuqinë lazer dhe shpejtësinë e prerjes.Kur pritet çeliku me karbon të ulët me fuqi lazer 800 W, vrazhdësia standarde Rz është 10 μm për trashësinë e fletës 1 mm, 20 μm për 3 mm dhe 25 μm për 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}}}}
Ku: {\displaystyle S=}S= trashësia e fletës së çelikut në mm;{\displaystyle P=}P= fuqia lazer në kW (disa prerës të rinj lazer kanë fuqi lazer prej 4 kW);{\displaystyle V=}V= shpejtësia e prerjes në metra në minutë.[16]
Ky proces është në gjendje të mbajë toleranca mjaft të afërta, shpesh brenda 0,001 inç (0,025 mm).Gjeometria e pjesës dhe qëndrueshmëria mekanike e makinës kanë të bëjnë shumë me aftësitë e tolerancës.Përfundimi tipik i sipërfaqes që rezulton nga prerja me rreze lazer mund të variojë nga 125 në 250 mikro-inç (0,003 mm deri në 0,006 mm).[11]
Konfigurimet e makinerive
Lazer optik fluturues me dy paleta
Kokë lazer me optikë fluturuese
Në përgjithësi ekzistojnë tre konfigurime të ndryshme të makinerive industriale të prerjes me lazer: sistemet e materialit lëvizës, hibrid dhe optikë fluturuese.Këto i referohen mënyrës se si rrezja lazer lëviz mbi materialin që pritet ose përpunohet.Për të gjitha këto, boshtet e lëvizjes zakonisht caktohen boshtet X dhe Y.Nëse koka prerëse mund të kontrollohet, ajo përcaktohet si boshti Z.
Lazerët e materialit lëvizës kanë një kokë prerëse të palëvizshme dhe e lëvizin materialin nën të.Kjo metodë siguron një distancë konstante nga gjeneratori lazer në pjesën e punës dhe një pikë të vetme nga e cila do të hiqet efluenti prerës.Kërkon më pak optikë, por kërkon lëvizjen e pjesës së punës.Kjo makinë stil tenton të ketë optikën më të vogël të shpërndarjes së rrezeve, por gjithashtu priret të jetë më e ngadalta.
Lazerët hibridë ofrojnë një tabelë e cila lëviz në një bosht (zakonisht në boshtin X) dhe lëviz kokën përgjatë boshtit më të shkurtër (Y).Kjo rezulton në një gjatësi më konstante të rrugës së shpërndarjes së rrezes sesa një makinë optike fluturuese dhe mund të lejojë një sistem më të thjeshtë të shpërndarjes së rrezeve.Kjo mund të rezultojë në humbje të reduktuar të energjisë në sistemin e shpërndarjes dhe më shumë kapacitet për vat sesa makinat optike fluturuese.
Lazerët e optikës fluturuese kanë një tavolinë të palëvizshme dhe një kokë prerëse (me rreze lazer) që lëviz mbi pjesën e punës në të dy dimensionet horizontale.Prerëset e optikës fluturuese e mbajnë pjesën e punës të palëvizshme gjatë përpunimit dhe shpesh nuk kërkojnë shtrëngim material.Masa lëvizëse është konstante, kështu që dinamika nuk ndikohet nga madhësia e ndryshme e pjesës së punës.Makinat e optikës fluturuese janë tipi më i shpejtë, gjë që është e dobishme kur prehen pjesët më të holla të punës.[17]
Makinat optike fluturuese duhet të përdorin disa metoda për të marrë parasysh ndryshimin e gjatësisë së rrezes nga prerja e fushës së afërt (afër rezonatorit) në prerjen e fushës së largët (larg larg nga rezonatori).Metodat e zakonshme për kontrollimin e kësaj përfshijnë kolimacionin, optikën adaptive ose përdorimin e një boshti konstant të gjatësisë së rrezes.
Makineritë me pesë dhe gjashtë boshte gjithashtu lejojnë prerjen e pjesëve të formuara të punës.Përveç kësaj, ekzistojnë metoda të ndryshme për të orientuar rrezen e lazerit në një pjesë të formës së punës, duke mbajtur një distancë të duhur fokusimi dhe bllokim të grykës, etj.
Pulsing
Lazerët pulsues që sigurojnë një shpërthim energjie me fuqi të lartë për një periudhë të shkurtër janë shumë efektivë në disa procese të prerjes me lazer, veçanërisht për shpimin, ose kur kërkohen vrima shumë të vogla ose shpejtësi shumë të ulëta prerjeje, pasi nëse përdoret një rreze lazer konstante, nxehtësia mund të arrijë deri në shkrirjen e të gjithë pjesës që pritet.
Shumica e lazerëve industrialë kanë aftësinë për të pulsuar ose prerë CW (valë e vazhdueshme) nën kontrollin e programit NC (kontrolli numerik).
Lazerët me puls të dyfishtë përdorin një seri çiftesh impulsesh për të përmirësuar shkallën e heqjes së materialit dhe cilësinë e vrimave.Në thelb, pulsi i parë heq materialin nga sipërfaqja dhe i dyti parandalon ngjitjen e nxjerrjes në anën e vrimës ose prerjes.[18]
Koha e postimit: Qershor-16-2022