Что такое лазерная резка? - Работа, типы и применение

Лазерная резка — это нетрадиционный метод обработки, в котором для резки материала используется интенсивно сфокусированный поток когерентного света, называемый лазером. Это субтрактивный процесс, при котором материал непрерывно удаляется в процессе резки. Это достигается путем испарения, плавления, химической абляции или контролируемого распространения трещин.

Лазерная оптика управляется в цифровом виде с помощью ЧПУ (компьютерного числового управления), что делает процесс пригодным для сверления отверстий размером до 5 микрон. Кроме того, процесс не создает остаточных напряжений в материале, что позволяет резать деликатные и хрупкие материалы.

Как работает лазерная резка?

Станок для лазерной резки работает аналогично станку с ЧПУ, но использует мощный лазер. Лазер будет направлять материал или луч через ЧПУ и оптическое оборудование. Станок будет использовать ЧПУ или предоставленный G-код для резки материала и управления движением.

После фокусировки лазерного луча материал расплавится, испарится и сгорит. Кроме того, при обдуве материала газовой струей можно получить качественно обработанную поверхность кромки. Генерация лазерного луча происходит в закрытом контейнере, где лампа или электрический разряд стимулируют люминесцентный материал.

Усиление люминофора происходит после внутреннего отражения через частичное зеркало. Это явление продолжается до тех пор, пока в когерентном монохроматическом световом потоке не накопится достаточно энергии, чтобы позволить ему уйти. Интенсивность света увеличивается после того, как он был сфокусирован на рабочей зоне с помощью волокна или зеркала.

Диаметр лазерного луча составляет менее 0,32 мм на самом тонком краю. И наоборот, ширина разреза потенциально может составлять всего 0,10 мм. Однако это зависит от толщины материала. Если материал режется лазерным резаком, не начиная с края материала, используется процесс перфорации.

Виды лазерной резки

Для резки существует три основных типа лазеров. Это CO2, Nd-YAG (неодим-иттрий-алюминиевый гранат) и волоконные лазеры. Они различаются основным материалом, используемым для генерации лазерного луча.

Углекислотные лазеры

Этот тип лазера имеет газоразрядную среду, заполненную 10-20% углекислым газом, 10-20% азотом, следовыми количествами водорода и ксенона, а также гелием. Накачка лазера осуществляется не светом, а разрядным током.

При прохождении разряда через осветительную среду молекулы азота возбуждаются до более высокого энергетического уровня. В отличие от ранее описанных, эти возбужденные молекулы азота не теряют энергию из-за испускания фотонов.

Вместо этого он передает энергию своих колебательных мод молекулам CO2. Этот процесс продолжается до тех пор, пока большинство молекул CO2 не перейдет в переносимое состояние. Затем молекулы углекислого газа излучают инфракрасный свет с длиной волны 10,6 мкм или 9,6 мкм, переводя их на более низкий энергетический уровень.

Резонансные зеркала предназначены для отражения излучаемых фотонов на этих длинах волн. Зеркало — это частичный отражатель, который позволяет испускать инфракрасный луч, используемый для резки материала.

После испускания инфракрасного света молекула СО2 возвращается в основное состояние, передавая оставшуюся энергию легированным атомам гелия. Затем холодные атомы гелия становятся очень горячими и охлаждаются системой охлаждения лазера. CO2-лазеры имеют КПД примерно на 30 %, что выше, чем у других лазеров.

Кристаллические (рубиновые, Nd и Nd-YAG) лазеры

В отличие от CO2-лазеров, этот тип лазера представляет собой твердотельный лазер, в котором в качестве светоизлучающей среды используются синтетические кристаллы. Наиболее распространенным является кристалл YAG (Y3Al5O12), легированный 1% ионизированного неодима (Nd3+).

Ионы Nd в этом кристалле замещают ионы Y в кристаллической структуре. Стержни имеют длину около 10 см и диаметр от 6 до 9 см. Концы стержней YAG отполированы и покрыты материалом с высокой отражающей способностью, который служит резонаторной системой.

Криптоновая вспышка или лазерный диод обеспечивают накачку лазера. Эта лазерная накачка возбуждает ионы неодима до более высоких энергетических уровней. Через некоторое время возбужденные ионы неодима переходят в более низкое, более стабильное состояние, не испуская фотонов. Этот процесс продолжается до тех пор, пока среда не заполнится возбужденными ионами Nd. В деградированном состоянии ион Nd излучает инфракрасный свет с длиной волны 1064 нм.

Волоконные лазеры

Волоконные лазеры — это более новая форма лазера, который излучает свет с использованием оптических волокон, а не газов (CO2-лазеры) или кристаллов (лазеры Nd-YAG). Поскольку в волоконных лазерах используются оптические волокна, они представляют собой твердотельные лазеры, работающие аналогично кристаллическим лазерам.

Оптическое волокно легировано такими элементами, как эрбий и иттербий. Эрбий излучает свет в диапазоне от 1528 до 1620 нм. С другой стороны, иттербий излучает свет с длинами волн 1030 нм, 1064 нм и 1080 нм.

Известно, что когда свет проходит через оптическое волокно, он остается внутри с минимальными потерями энергии. Это делает оптические волокна более стабильными, чем другие типы, требующие точного выравнивания.

Преимущества лазерной резки

Высокая точность

Лазеры используют сфокусированный луч света для резки объектов с предельной точностью. Лазер мощный и крошечный, но он плавит и испаряет материал с непревзойденной точностью. В большинстве случаев допуски лазера составляют от 0,003 мм до 0,006 мм.

Плазменные резаки имеют уровень допуска около 0,02 мм, что выше, чем у лазерной резки. Точно так же другие режущие инструменты имеют уровни допуска от 1 до 3 мм или даже выше. Предположим, что в производственном процессе требуется станок высокой точности и точности.

В этом случае предпочтительным инструментом обычно является лазерный резак. Поэтому в аэрокосмической промышленности используется лазерная резка, требующая жестких допусков.

Более низкая стоимость и доступность

Лазерная резка имеет экономическое преимущество перед другими станками с ЧПУ того же калибра, что является одним из преимуществ лазерной технологии. Специальные инструменты больше не нужны благодаря технологии лазерной резки. Вам также не нужно модифицировать оборудование для любого проекта, потому что не нужны дополнительные режущие инструменты.

Кроме того, отсутствует физический контакт, поэтому поверхность не изнашивается. Поскольку в станках для лазерной резки мало механических частей, они дешевле в обслуживании, чем другие технологии обработки. Эксплуатационные расходы станка также будут ниже по сравнению с традиционными производственными инструментами.

Для особо сложных работ

Многие задачи, которые могут быть слишком сложными для других технологий резки, станут простыми для станков лазерной резки; лазерная технология может работать на самых тонких краях материала. Хотя область выреза может быть слегка искажена или искривлена, с помощью лазерного резака можно быстро создавать сложные геометрические формы. Лазерная резка имеет широкий уровень допуска и подходит для различных материалов.

Высокий коэффициент использования листов и меньше отходов

Когда вы режете материал с помощью лазерного резака, впустую теряется лишь очень небольшое количество материала. Это отличает лазерную резку от других станков со значительной долей материала. С лазерным резаком производители могут максимально использовать материал. По мере того, как ресурсы используются более эффективно, расходуется меньше материалов, а производственные затраты снижаются.

Предотвращение повреждений

Еще одним преимуществом лазерной резки является предотвращение повреждения даже самых узких материалов. Многие люди склонны верить дезинформации о машине, считая, что искажение или порча материала неизбежны.

Это распространенное мнение, что в процессе лазерной резки используется высокая температура. Следует отметить, что тепло влияет только на небольшую площадь материала и не влияет на допуски. Лазерная резка листов происходит удивительно быстро, поэтому времени на резку требуется меньше. В результате производители могут легко избежать деформаций и искажений.

Низкое энергопотребление

Это помогло бы, если бы у вас было много сил, чтобы добиться разреза в реальной жизни. Однако станки для лазерной резки не имеют других движущихся частей, что снижает потребление энергии. Напротив, машины с подвижными частями, как правило, потребляют больше энергии. Кроме того, лазерные резаки режут материал очень быстро. Это помогает сэкономить время и силы. Чем меньше энергии потребляется, тем меньше стоимость эксплуатации.

Совместимость с различными материалами

Интересно отметить, что эта машина может работать с различными материалами. Помимо резки материалов, лазерная резка также помогает в других процессах, таких как маркировка, сверление и гравировка. Стоит отметить, что вам не нужно переключаться или менять инструменты для выполнения всех этих разных задач.

Лазерная резка не ограничивается резкой металла. Другие материалы для лазерной резки включают дерево, алюминий, пластик, медь и латунь. Лазерная резка является универсальным процессом, поскольку с его помощью можно легко резать практически все виды материалов.

Недостатки лазерной резки

Хотя лазерная резка имеет много преимуществ, она также имеет некоторые недостатки, о которых вам следует знать. Мы обсудим некоторые из них ниже.

Лазерная резка пластика производит токсичные пары и требует вентиляции, что может быть дорогостоящей задачей.

Эффективность лазерной резки также зависит от толщины детали, разрезаемого материала и типа используемого лазера. Без надлежащего ухода отрезанный материал может быть сожжен, а некоторые металлы могут обесцвечиваться, если не используется правильная интенсивность лазера. Хотя плазменная резка по-прежнему позволяет резать более толстые листы, чем лазерная, прогресс в лазерных технологиях означает, что этот разрыв сокращается, хотя стоимость оборудования по-прежнему высока.

Наконец, несмотря на то, что это автоматизированный процесс, ввод в эксплуатацию и техническое обслуживание требуют участия человека, и существует риск серьезных ожогов, если оператор вступит в контакт с лазером.

Применение лазерной резки

Как уже говорилось ранее, лазерная резка — это захватывающий сектор, который постоянно развивается.

Вот некоторые из наиболее распространенных применений лазерной резки в настоящее время.

Автомобильная промышленность

Лазерная резка нашла применение в автомобильной промышленности благодаря своей способности воспроизводить детали с относительной скоростью и точностью. Точное воспроизведение деталей различных форм и размеров имеет решающее значение в автомобильной промышленности. Лазерная резка используется для резки металлов и пластика для изготовления деталей кузова, электронных компонентов, обивки салона и автомобильных кнопок.

Кроме того, станки для лазерной резки могут гравировать кнопки на салоне автомобиля, позволяя свету проникать сквозь них, и записывать серийные номера и номера деталей на изготовленных деталях. Формы, используемые для резки различных деталей, также можно резать лазером.

Лазерная резка подходит для резки гидроформованных деталей. Как правило, это прочные трубы, поддерживающие конструкцию автомобиля. Как правило, эти детали используются для создания рам двигателя или приборных панелей.

Формовочная и инструментальная промышленность

Как отмечалось ранее, лазерная резка может использоваться для изготовления форм для повторяющихся деталей. Используя способность лазера резать металл на разную глубину, можно создавать чрезвычайно точные формы для штампованных деталей, которые можно последовательно использовать в повторяющемся процессе высечки.

Дублирование пресс-форм с помощью лазерной резки также является быстрым и точным процессом.

Формы для литья под давлением могут быть изготовлены с той же точностью, что и формы с использованием лазерной резки.

Это упрощает процесс изготовления пресс-форм и делает точное воспроизведение пресс-форм гораздо более быстрой и дорогостоящей процедурой.

В производстве инструментов лазерные резаки можно использовать для маркировки и гравировки в автомобильной промышленности и для изготовления простых ручных инструментов. Скорость лазерной резки может даже сделать их лучше, чем высечка прочных металлов. Из-за универсальности использования материала вы даже можете выгравировать лазером логотипы компаний и информацию об инструментах на резиновых рукоятках большинства инструментов.

Ювелирная промышленность

Точность лазерной резки позволяет легко использовать ее в процессах изготовления ювелирных изделий. Например, представьте себе часы с множеством маленьких шестеренок. Лазерная резка осуществляется с высокой точностью, что позволяет производить шестерни с меньшими затратами и меньшим временем производства. Кроме того, возможности лазерной гравировки позволяют маркировать детали в процессе производства.

Поскольку лазеры могут вырезать точные формы и толщину, лазерную резку также можно использовать для изготовления ювелирных изделий. Создание кольца или браслета точной ширины, глубины и диаметра можно легко выполнить с помощью лазера. Лазеры также могут гравировать рисунки и надписи на внутренних и внешних поверхностях.

Производство медицинского оборудования

Наиболее существенными преимуществами лазерной резки в медицинской промышленности являются лазерная хирургия и изготовление изделий медицинского назначения.

Лазерная хирургия позволяет хирургам делать точные надрезы, а пациенты быстрее выздоравливают. Детали, вырезанные лазером, используются для изготовления медицинских устройств, улучшающих качество жизни пациентов. Например, стенты, каркасы клапанов, сосудистые зажимы, костные шарниры, гибкие стержни и расширители изготавливаются из деталей, вырезанных лазером.

Производство керамики

Керамика обладает различными качествами, которые позволяют инженерам использовать ее в различных приложениях. Их низкая электро- и теплопроводность делают их отличными изоляторами. Они не вступают в реакцию с другими химическими веществами, имеют высокую температуру плавления и чрезвычайно прочны.

Лазеры часто используются для резки керамики, поскольку они сокращают время обработки без ущерба для качества кромки. Авиационные реактивные двигатели, электродвигатели, динамики, наушники, генераторы электростанций, рисоварки и даже лампы накаливания имеют керамические детали.

Производство кремния

Еще одним материалом, который может выиграть от лазерной резки, является кремний, который имеет множество применений. Прецизионная резка позволяет инженерам изготавливать кремниевые детали меньшего размера, чем детали, изготовленные с использованием других методов резки.

Кремний устойчив к высоким температурам и старению, с ним легко работать. Типичные области применения кремния — компьютеры, электроника, текстиль, товары для дома, автомобили и строительство.

Заключение

Внедрение лазерной резки дало ценные преимущества обрабатывающей промышленности. Станок помогает резать много материалов за один период, экономя время и снижая эксплуатационные расходы. Понимание плюсов и минусов лазерной резки поможет вам сделать лучший выбор для вашего проекта.