Введение

Технология, использующая лазер для резки материалов.

Лазерная резка – это технология, использующая лазер для испарения материалов, в результате чего образуется режущая кромка. Хотя обычно применяется в промышленном производстве, сейчас она также используется в школах, малом бизнесе, архитектуре и для хобби. Лазерная резка работает путем направления выходного потока высокомощного лазера, как правило, через оптическую систему. Лазерная оптика и система ЧПУ (числового программного управления) используются для направления лазерного луча на материал. Коммерческий лазер для резки материалов использует систему управления движением для следования по CNC-коду или G-коду контура, который необходимо вырезать на материале. Сфокусированный лазерный луч направляется на материал, который затем плавится, сгорает, испаряется или удаляется струей газа, оставляя кромку с высококачественной поверхностью.

История

В 1965 году первая серийная лазерная установка для резки была использована для сверления отверстий в алмазных штампах. Эта установка была разработана в Западном исследовательском центре компании Western Electric. В 1967 году британские ученые впервые применили лазерную резку с использованием струи кислорода для обработки металлов. В начале 1970-х годов эта технология была внедрена в производство для резки титана, используемого в аэрокосмической промышленности. Одновременно с этим, CO2-лазеры были адаптированы для резки неметаллических материалов, таких как текстиль, поскольку в то время их мощности было недостаточно для преодоления теплопроводности металлов.

Процесс

Лазерный луч обычно фокусируется с помощью высококачественной линзы на рабочую зону. Качество луча оказывает непосредственное влияние на размер сфокусированного пятна. Наиболее узкая часть сфокусированного луча обычно меньше в диаметре. В зависимости от толщины материала, ширина прореза может достигать. Для начала резки не с края, перед каждым резом выполняется прокол. Пробивка обычно включает в себя высокомощный импульсный лазерный луч, который медленно проделывает отверстие в материале, занимая около 5–15 секунд для нержавеющей стали, например. Параллельные лучи когерентного света от источника лазера часто находятся в диапазоне между в диаметре. Этот луч обычно фокусируется и усиливается линзой или зеркалом до очень маленького пятна размером около, чтобы создать высокоинтенсивный лазерный луч. Для достижения максимально гладкой поверхности при контурной резке необходимо вращать направление поляризации луча по мере его движения по периметру контурной заготовки. Преимущества лазерной резки по сравнению с механической резкой включают в себя более простое закрепление заготовки и снижение загрязнения (поскольку отсутствует режущая кромка, которая может быть загрязнена материалом или загрязнять его). Точность может быть выше, поскольку лазерный луч не изнашивается в процессе работы. Также снижается вероятность деформации разрезаемого материала, так как лазерные системы имеют небольшую зону термического влияния. Некоторые материалы также очень трудно или невозможно разрезать традиционными способами. Лазерная резка металлов имеет преимущество перед плазменной резкой в большей точности и меньшем энергопотреблении при резке листового металла; однако большинство промышленных лазеров не могут резать металл большей толщины, чем плазма. Новые лазерные станки, работающие на более высокой мощности (6000 Вт по сравнению с 1500 Вт у ранних лазерных режущих станков), приближаются к плазменным станкам по способности резать толстые материалы, но капитальные затраты на такие станки значительно выше, чем на плазменные станки, способные резать толстые материалы, такие как стальные листы.

Методы

Существует множество различных методов лазерной резки, и разные типы используются для резки различных материалов. Некоторые из этих методов включают испарение, плавление с выдувом, плавление с выдувом и прогоранием, растрескивание от теплового напряжения, насечку, холодную резку и лазерную резку со стабилизированным горением.

Выпарение

При лазерной резке испарением сфокусированный луч нагревает поверхность материала до температуры испарения и создает канавку. Эта канавка приводит к резкому увеличению поглощения энергии, что быстро углубляет её. По мере углубления канавки и закипания материала, образующийся пар разрушает расплавленные стенки, вынося расплав и дополнительно расширяя канавку. Материалы, не плавкие при данной температуре, такие как дерево, углерод и термореактивные пластмассы, обычно режутся этим способом.

Растворить и взорвать

Плавка и выдувание, или кислородная резка, использует газ под высоким давлением для удаления расплавленного материала из зоны реза, что значительно снижает потребляемую мощность. Сначала материал нагревается до температуры плавления, а затем струя газа выдувает расплавленный материал из прореза, устраняя необходимость дальнейшего повышения температуры материала. Обычно этим способом режут металлы.

Крепление при термическом напряжении

Хрупкие материалы особенно чувствительны к термическому растрескиванию, свойство, которое используется в процессе растрескивания под воздействием тепловых напряжений. Луч фокусируется на поверхности, вызывая локальный нагрев и тепловое расширение. Это приводит к образованию трещины, которую затем можно направлять, перемещая луч. Трещина может перемещаться со скоростью порядка м/с. Обычно применяется для резки стекла.

Невидимый нарез кремниевых пластинок

Отделение микроэлектронных чипов, полученных в процессе изготовления полупроводниковых приборов, от кремниевых пластин может выполняться с помощью так называемого процесса скрытого разделения (stealth dicing), который использует импульсный Nd:YAG лазер, длина волны которого (1064 нм) оптимально подходит для электронного энергетического зазора кремния (1,11 эВ или 1117 нм).

Реактивная резка

Реактивная резка также называется "горячей стабилизированной лазерной газовой резкой" и "пламенной резкой". Реактивная резка аналогична резке кислородным пламенем, но в качестве источника воспламенения используется лазерный луч. В основном применяется для резки углеродистой стали толщиной более 1 мм. Этот процесс позволяет резать очень толстые стальные листы с относительно небольшой мощностью лазера.

Допускаемые отклонения и поверхностная отделка

Лазерные станки имеют точность позиционирования 10 микрометров и повторяемость 5 микрометров. Стандартная шероховатость Rz увеличивается с толщиной листа, но уменьшается с мощностью лазера и скоростью резки. При резке низкоуглеродистой стали с мощностью лазера 800 Вт стандартная шероховатость Rz составляет 10 мкм при толщине листа 1 мм, 20 мкм при 3 мм и 25 мкм при 6 мм. Где: толщина стального листа в мм; мощность лазера в кВт (некоторые новые лазерные станки имеют мощность лазера 4 кВт); скорость резки в метрах в минуту. Этот процесс позволяет выдерживать довольно малые допуски, часто в пределах 0,025 мм. Геометрия детали и механическая надежность станка существенно влияют на достижимые допуски. Типичная шероховатость поверхности после лазерной резки может варьироваться от 125 до 250 микродюймов (0,003 мм до 0,006 мм). Станки с перемещающейся оптикой должны использовать методы для компенсации изменения длины луча при переходе от резки в ближней зоне (вблизи резонатора) к резки в дальней зоне (удалённой от резонатора). Распространенные методы контроля включают коллимацию, адаптивную оптику или использование оси постоянной длины луча. Пяти- и шестиосевые станки также позволяют резать формованные детали. Кроме того, существуют различные способы ориентации лазерного луча относительно формованной детали, поддержания оптимального расстояния фокусировки и зазора сопла и т.д.

Пульсирование

Импульсные лазеры, обеспечивающие кратковременный выброс высокой мощности, очень эффективны в некоторых процессах лазерной резки, особенно при пробивании, а также когда требуются очень маленькие отверстия или очень низкая скорость резки, поскольку при использовании непрерывного лазерного луча тепло может достигнуть точки плавления всей заготовки. Большинство промышленных лазеров способны работать в импульсном режиме или в режиме непрерывного излучения (CW) под управлением программы числового программного управления (NC). Двухимпульсные лазеры используют серию пар импульсов для повышения скорости удаления материала и улучшения качества отверстий. По сути, первый импульс удаляет материал с поверхности, а второй предотвращает прилипание вылетающего материала к стенкам отверстия или реза.

Потребление электроэнергии

Основным недостатком лазерной резки является высокое энергопотребление. Эффективность промышленных лазеров может варьироваться от 5% до 45%. Энергопотребление и эффективность конкретного лазера зависят от выходной мощности и рабочих параметров. Это определяется типом лазера и степенью его соответствия выполняемой задаче. Количество необходимой мощности лазерной резки, известное как тепловая нагрузка, для конкретной операции зависит от типа материала, его толщины, используемого процесса (реактивного/инертного) и требуемой скорости резки. + Необходимая тепловая нагрузка для различных материалов разной толщины при использовании лазера [Вт] Толщина материала 0,51 мм 1,0 мм 2,0 мм 3,2 мм 6,4 мм Нержавеющая сталь 1000 1000 1000 1500 2500 Алюминий 1000 1000 1000 3800 10000 Мягкая сталь – 400 – 500 – Титан 250 210 210 – – Фанера – – – – 650 Бор/эпоксидная смола – – – 3000 –

Производство и скорость вырубки

Максимальная скорость резания (производительность) ограничена рядом факторов, включая мощность лазера, толщину материала, тип процесса (реактивный или инертный) и свойства материала. Обычные промышленные системы (≥1 кВт) разрезают углеродистую сталь толщиной от 0,51 до 13 мм. Во многих случаях лазер может быть до тридцати раз быстрее стандартной пилы. +Скорость резания лазером [см/с] Материал заготовки Толщина материала 0,51 мм 1,0 мм 2,0 мм 3,2 мм 6,4 мм 13 мм Нержавеющая сталь 42,3 23,28 13,76 7,83 3,4 0,76 Алюминий 33,87 14,82 6,35 4,23 1,69 1,27 Мягкая сталь – 8,89 7,83 6,35 4,23 2,1 Титан 12,7 12,7 4,23 3,4 2,5 1,7 Фанера – – – – 7,62 1,9 Бор/эпоксидная смола – – – 2,5 2,5 1,1