Laserskärning - Laser cutting

Diagram över en laserskärare
Laserskärningsprocess på ett stålplåt
CAD (upptill) och laserskurna delar i rostfritt stål (nedtill)

Laserskärning är en teknik som använder en laser för att förånga material, vilket resulterar i en skärkant. Medan den vanligtvis används för industriell tillverkning, används den nu av skolor, småföretag, arkitektur och amatörer. Laserskärning fungerar genom att rikta utsignalen från en högeffektlaser vanligast genom optik. De laseroptik och CNC (Computer Numerical Control) används för att rikta material eller laserstrålen alstras. En kommersiell laser för skärning av material använder ett rörelsekontrollsystem för att följa en CNC- eller G-kod för mönstret som ska skäras på materialet. Den fokuserade laserstrålen riktas mot materialet som sedan antingen smälter, brinner, förångas eller blåses bort av en gasstråle och lämnar en kant med en ytfinish av hög kvalitet.

Historia

I 1965, var den första produktionen laserskärmaskin som används för att borra hål i diamant dör . Denna maskin tillverkades av Western Electric Engineering Research Center . 1967 var britterna banbrytande för laserassisterad syrgasstråleskärning för metaller. I början av 1970 -talet togs denna teknik i produktion för att skära titan för rymdapplikationer. Samtidigt CO
2
lasrar anpassades för att skära icke-metaller, såsom textilier , eftersom CO då
2
lasrar var inte tillräckligt kraftfulla för att övervinna metallers värmeledningsförmåga .

Bearbeta

Industriell laserskärning av stål med skärinstruktioner programmerade via CNC -gränssnittet

Generering av laserstrålen innefattar stimulering av ett lasermaterial genom elektriska urladdningar eller lampor i en sluten behållare. När lasermaterialet stimuleras reflekteras strålen internt med hjälp av en partiell spegel, tills den uppnår tillräcklig energi för att fly som en ström av monokromatiskt koherent ljus. Speglar eller fiberoptik används vanligtvis för att rikta det koherenta ljuset till en lins, som fokuserar ljuset vid arbetszonen. Den smalaste delen av den fokuserade strålen är i allmänhet mindre än 0,0125 tum (0,32 mm) i diameter. Beroende på materialtjocklek är spetsbredder så små som 0,104 tum (0,10 mm) möjliga. För att kunna börja klippa från någon annanstans än kanten görs en piercing före varje snitt. Piercing involverar vanligtvis en högeffektspulserad laserstråle som långsamt gör ett hål i materialet och tar cirka 5–15 sekunder för exempelvis 13 mm tjockt (13 mm) rostfritt stål .

De parallella strålarna av koherent ljus från laserkällan faller ofta i intervallet mellan 0,06–0,08 tum (1,5–2,0 mm) i diameter. Denna stråle är normalt fokuserad och intensifierad av en lins eller en spegel till en mycket liten fläck på cirka 0,001 tum (0,025 mm) för att skapa en mycket intensiv laserstråle. I syfte att uppnå jämnast möjliga yta under konturskärning, riktningen för strålens polarisation måste roteras när den går runt periferin av en konturerad arbetsstycke. För plåtskärning är brännvidden vanligtvis 38–76 mm (1,5–3 tum).

Fördelarna med laserskärning jämfört med mekanisk skärning inkluderar enklare hållfasthet och minskad kontaminering av arbetsstycket (eftersom det inte finns någon skärkant som kan bli förorenad av materialet eller förorena materialet). Precision kan vara bättre, eftersom laserstrålen inte slits under processen. Det finns också en minskad chans att vrida materialet som skärs, eftersom lasersystem har en liten värmepåverkad zon . Vissa material är också mycket svåra eller omöjliga att skära på mer traditionella sätt.

Laserskärning för metaller har fördelarna jämfört med plasmaskärning genom att vara mer exakt och använda mindre energi vid skärning av plåt; dock kan de flesta industriella lasrar inte skära igenom den större metalltjockleken som plasma kan. Nyare lasermaskiner som arbetar med högre effekt (6000 watt, i motsats till tidiga laserskärmaskiner på 1500 watt) närmar sig plasmamaskiner i sin förmåga att skära igenom tjocka material, men kapitalkostnaden för sådana maskiner är mycket högre än för plasma skärmaskiner som kan skära tjocka material som stålplåt.

Typer

4000 watt CO
2
laserskärare

Det finns tre huvudtyper av lasrar som används vid laserskärning. den CO
2
laser
lämpar sig för skärning, tråkning och gravering. Den neodym (Nd) och neodym yttrium-aluminium-granat ( Nd: YAG ) lasrar är identiska i stil och skiljer sig endast i ansökan. Nd används för tråkning och där hög energi men låg upprepning krävs. Nd: YAG -lasern används där mycket hög effekt behövs och för tråkning och gravering. Båda CO
2
och Nd/Nd: YAG -lasrar kan användas för svetsning .

CO
2
lasrar "pumpas" vanligen genom att leda en ström genom gasblandningen (DC-exciterad) eller genom att använda radiofrekvent energi (RF-exciterad). Den RF Metoden är nyare och har blivit mer populärt. Eftersom DC -konstruktioner kräver elektroder inuti hålrummet kan de stöta på elektroderosion och plätering av elektrodmaterial på glas och optik . Eftersom RF -resonatorer har externa elektroder är de inte benägna att drabbas av dessa problem. CO
2
lasrar används för industriell skärning av många material, inklusive titan, rostfritt stål, mjukt stål, aluminium, plast, trä, konstruerat trä, vax, tyger och papper. YAG -lasrar används främst för att skära och rita metaller och keramik.

Förutom strömkällan kan typen av gasflöde också påverka prestandan. Vanliga varianter av CO
2
lasrar inkluderar snabbt axiellt flöde, långsamt axiellt flöde, tvärflöde och platta. I en snabb axiell flödesresonator cirkuleras blandningen av koldioxid, helium och kväve med hög hastighet av en turbin eller fläkt. Tvärflödeslasrar cirkulerar gasblandningen med en lägre hastighet, vilket kräver en enklare fläkt. Plattor eller diffusionskylda resonatorer har ett statiskt gasfält som inte kräver tryck eller glas, vilket leder till besparingar på ersättningsturbiner och glasvaror.

Lasergeneratorn och extern optik (inklusive fokuslinsen) kräver kylning. Beroende på systemstorlek och konfiguration kan spillvärme överföras med kylvätska eller direkt till luft. Vatten är en vanlig kylvätska som vanligtvis cirkulerar genom en kylare eller värmeöverföringssystem.

En lasermikrojet är en laserstrålestyrd laser i vilken en pulserad laserstråle är kopplad till en lågtrycksvattenstråle. Detta används för att utföra laserskärningsfunktioner medan du använder vattenstrålen för att styra laserstrålen, ungefär som en optisk fiber, genom total inre reflektion. Fördelarna med detta är att vattnet också tar bort skräp och kyler materialet. Ytterligare fördelar jämfört med traditionell "torr" laserskärning är höga tärningshastigheter, parallellt snitt och rundriktad skärning.

Fiberlasrar är en typ av halvledarlaser som snabbt växer inom metallskärningsindustrin. Till skillnad från CO
2
, Fiberteknologi använder ett fast förstärkningsmedium, i motsats till en gas eller vätska. "Frölasern" producerar laserstrålen och förstärks sedan i en glasfiber. Med en våglängd på endast 1064 nanometer producerar fiberlasrar en extremt liten fläckstorlek (upp till 100 gånger mindre jämfört med CO
2
) vilket gör den idealisk för skärning av reflekterande metallmaterial. Detta är en av de främsta fördelarna med fiber jämfört med CO
2
.

Fördelar med fiberlaserskärare inkluderar:-

  • Snabba handläggningstider.
  • Minskad energiförbrukning och räkningar - på grund av högre effektivitet.
  • Större tillförlitlighet och prestanda - ingen optik att justera eller justera och inga lampor att byta ut.
  • Minimalt underhåll.
  • Möjligheten att bearbeta högreflekterande material som koppar och mässing
  • Högre produktivitet - lägre driftskostnader ger större avkastning på din investering.

Metoder

Det finns många olika metoder för att skära med laser, med olika typer som används för att skära olika material. Några av metoderna är förångning, smältning och slagning, smältblåsning och bränning, sprickning av termisk spänning, ritsning, kallskärning och brinnande stabiliserad laserskärning.

Avdunstningsskärning

Vid förångning skärs den fokuserade strålen upp materialets yta till flampunkt och genererar ett nyckelhål. Nyckelhålet leder till en plötslig ökning av absorptionskapacitet som snabbt fördjupar hålet. När hålet fördjupas och materialet kokar, eroderar ånga som eroderar de smälta väggarna som blåser ut ejecta och ytterligare förstorar hålet. Icke -smältande material såsom trä, kol och härdplast skärs vanligtvis med denna metod.

Smält och blåsa

Smält- och slag- eller smältskärning använder högtrycksgas för att blåsa smält material från skärområdet, vilket kraftigt minskar effektbehovet. Först upphettas materialet till smältpunkten, sedan blåser en gasstråle ut det smälta materialet från tappen och undviker behovet av att höja materialets temperatur ytterligare. Material som skärs med denna process är vanligtvis metaller.

Termisk spänning

Spröda material är särskilt känsliga för termiska sprickor, en egenskap som utnyttjas vid sprickbildning av termisk spänning. En stråle är fokuserad på ytan som orsakar lokal uppvärmning och termisk expansion. Detta resulterar i en spricka som sedan kan styras genom att flytta strålen. Sprickan kan flyttas i m/s ordning. Det används vanligtvis vid skärning av glas.

Stealth tärning av kiselskivor

Separationen av mikroelektroniska chips som framställts vid tillverkning av halvledarenheter från kiselskivor kan utföras med den så kallade stealth-tärningsprocessen, som arbetar med en pulserad Nd: YAG-laser , vars våglängd (1064 nm) är väl anpassad till den elektroniska bandgap av kisel (1,11 eV eller 1117 nm).

Reaktiv skärning

Kallas även "brinnande stabiliserad lasergasskärning", "flamskärning". Reaktiv skärning är som syrbrännare men med en laserstråle som tändkälla. Används mest för att skära kolstål i tjocklekar över 1 mm. Denna process kan användas för att skära mycket tjocka stålplattor med relativt liten laserkraft.

Toleranser och ytfinish

Laserskärare har positioneringsnoggrannhet på 10 mikrometer och repeterbarhet på 5 mikrometer.

Standard grovhet Rz ökar med plåttjockleken, men minskar med laserkraft och skärhastighet . Vid skärning av lågkolstål med lasereffekt på 800 W är standard grovheten Rz 10 μm för plåttjocklek på 1 mm, 20 μm för 3 mm och 25 μm för 6 mm.

Var: stålplåttjocklek i mm; lasereffekt i kW (vissa nya laserskärare har lasereffekt på 4 kW); skärhastighet i meter per minut.

Denna process kan hålla ganska nära toleranser , ofta till inom 0,025 mm. Delgeometri och maskinens mekaniska sundhet har mycket att göra med toleransmöjligheter. Den typiska ytfinishen som härrör från laserstråleskärning kan sträcka sig från 125 till 250 mikro-tum (0,003 mm till 0,006 mm).

Maskinkonfigurationer

Laser med dubbelpallflygning
Flygande optiklaserhuvud

Det finns i allmänhet tre olika konfigurationer av industriella laserskärmaskiner: rörligt material, hybrid och flygande optiksystem. Dessa hänvisar till hur laserstrålen flyttas över materialet som ska skäras eller bearbetas. För alla dessa är rörelseaxlarna typiskt betecknade X- och Y -axlar . Om skärhuvudet kan styras betecknas det som Z-axeln.

Lasrar med rörligt material har ett stationärt skärhuvud och flyttar materialet under det. Denna metod ger ett konstant avstånd från lasergeneratorn till arbetsstycket och en enda punkt för att avlägsna skärvatten. Det kräver färre optik, men kräver att arbetsstycket flyttas. Denna stilmaskin tenderar att ha den minsta strålleveransoptiken, men tenderar också att vara den långsammaste.

Hybridlasrar ger en tabell som rör sig i en axel (vanligtvis X-axeln) och flyttar huvudet längs den kortare (Y) axeln. Detta resulterar i en mer konstant strålleveransvägslängd än en flygande optisk maskin och kan tillåta ett enklare strålleveranssystem. Detta kan resultera i minskad effektförlust i leveranssystemet och mer kapacitet per watt än flygande optikmaskiner.

Flygande optiska lasrar har ett stationärt bord och ett skärhuvud (med laserstråle) som rör sig över arbetsstycket i båda de horisontella dimensionerna. Flygande optikskärare håller arbetsstycket stilla under bearbetning och kräver ofta inte materialklämning. Den rörliga massan är konstant, så dynamiken påverkas inte av varierande storlek på arbetsstycket. Flygande optikmaskiner är den snabbaste typen, vilket är fördelaktigt vid skärning av tunnare arbetsstycken.

Flygande optiska maskiner måste använda någon metod för att ta hänsyn till den ändrade strållängden från nära fält (nära resonator) skärning till långt fält (långt bort från resonator) skärning. Vanliga metoder för att styra detta inkluderar kollimering, adaptiv optik eller användning av en konstant strållängdaxel.

Fem- och sexaxliga maskiner tillåter också skärformade arbetsstycken. Dessutom finns det olika metoder för att orientera laserstrålen mot ett format arbetsstycke, upprätthålla ett korrekt fokusavstånd och munstycksavstånd, etc.

Pulserande

Pulsade lasrar som ger en kraftig energisprängning under en kort period är mycket effektiva i vissa laserskärningsprocesser, särskilt för piercing, eller när mycket små hål eller mycket låga skärhastigheter krävs, eftersom om en konstant laserstråle användes, värmen kan nå punkten för att smälta hela stycket som skärs.

De flesta industriella lasrar har förmågan att pulsera eller klippa CW (kontinuerlig våg) under NC ( numerisk kontroll ) programkontroll.

Dubbelpulslasrar använder en serie pulspar för att förbättra materialborttagningshastigheten och hålkvaliteten. I huvudsak avlägsnar den första pulsen material från ytan och den andra förhindrar att ejecta fastnar vid sidan av hålet eller skärs ut.

Energiförbrukning

Den största nackdelen med laserskärning är den höga strömförbrukningen. Industriell lasereffektivitet kan variera från 5% till 45%. Strömförbrukningen och effektiviteten för en viss laser varierar beroende på uteffekt och driftsparametrar. Detta beror på typen av laser och hur väl lasern matchas med arbetet. Mängden laserskärningseffekt som krävs, känd som värmeinmatning , för ett visst jobb beror på materialtyp, tjocklek, process (reaktiv/inert) som används och önskad skärhastighet.

Mängden värmeeffekt som krävs för olika material med olika tjocklekar med CO
2
laser [watt]
Material Materialtjocklek
0,51 mm 1,0 mm 2,0 mm 3,2 mm 6,4 mm
Rostfritt stål 1000 1000 1000 1500 2500
Aluminium 1000 1000 1000 3800 10000
Mjukt stål - 400 - 500 -
Titan 250 210 210 - -
Plywood - - - - 650
Bor/epoxi - - - 3000 -

Produktion och sänkningshastigheter

Den maximala skärhastigheten (produktionshastigheten) begränsas av ett antal faktorer, inklusive lasereffekt, materialtjocklek, processtyp (reaktiv eller inert) och materialegenskaper. Vanliga industrisystem (≥1 kW) kommer att skära kolstålsmetall från 0,51 - 13 mm i tjocklek. För många ändamål kan en laser vara upp till trettio gånger snabbare än standardsågning.

Skärpriser med CO
2
laser [cm/sekund]
Arbetsstycksmaterial Materialtjocklek
0,51 mm 1,0 mm 2,0 mm 3,2 mm 6,4 mm 13 mm
Rostfritt stål 42.3 23.28 13.76 7,83 3.4 0,76
Aluminium 33,87 14.82 6,35 4,23 1,69 1.27
Mjukt stål - 8,89 7,83 6,35 4,23 2.1
Titan 12.7 12.7 4,23 3.4 2.5 1.7
Plywood - - - - 7,62 1.9
Bor / epoxi - - - 2.5 2.5 1.1

Se även

Referenser

Bibliografi