Промышленное производство
Промышленный Интернет вещей | Промышленные материалы | Техническое обслуживание и ремонт оборудования | Промышленное программирование |
home  MfgRobots >> Промышленное производство >  >> Manufacturing Technology >> Производственный процесс

Лазерная лучевая обработка: типы, процессы и применение

Что такое лазерная лучевая обработка (Laser Beam Machining — LBM)?

Лазерная лучевая обработка (LBM) — вид обработки, использующий тепло направленного лазерного луча. Процесс использует тепловую энергию для удаления материала с металлических или неметаллических поверхностей. Высокая частота монохроматического света падает на поверхность, вызывая нагревание, плавление и испарение материала за счет поглощения фотонов.

LBM лучше всего подходит для хрупких материалов с низкой проводимостью, но применима к большинству материалов.

Лазерная обработка стекла возможна без плавления поверхности. С фотчувствительным стеклом луч меняет химическую структуру, позволяя выборочное травление. Такое стекло называется фотообрабатываемым.

Преимущество фотообрабатываемого стекла: точно вертикальные стенки, нативное стекло подходит для биологических применений (подложки для генетического анализа).

Лазерная лучевая обработка: типы, процессы и применение
Лазерная лучевая обработка

Определение лазерной лучевой обработки

Неконвенциональный метод обработки, где операция выполняется лазерным светом. Луч с максимальной температурой ударяет в заготовку; из-за высокой температуры заготовка плавится. Процесс использует тепловую энергию для удаления материала с металлической поверхности.

Типы лазеров

Много типов: газовые, твердотельные, эксимерные.

Часто используемые газы: He-Ne, Ar, CO2-лазер.

Твердотельные лазеры создаются легированием редкого элемента в различные основные материалы. В отличие от газовых, накачиваются оптически вспышками или дуговыми лампами. Рубин — частый основной материал.

Рубиновый лазер — твердотельный, среда — синтетический рубиновый кристалл. Стержень оптически накачивается ксеноновой вспышковой лампой перед использованием как активная среда.

YAG — иттрий-алюминий-гранат, кристаллы для твердотельных лазеров. Nd:YAG — неодимовый донированный иттрий-алюминий-гранат, используемый как лазерная среда.

YAG-лазеры излучают высокоэнергетические световые волны. Nd:стекло — неодимовые усилительные среды из силикатных или фосфатных материалов для волоконных лазеров.

Конструкция / основные части LBM

1. Источник питания

Требуется высокое напряжение. Питание подается для возбуждения электронов. При подаче электроны переходят в возбужденное состояние — готовы к работе.

2. Вспышковые лампы

Дают белый когерентный свет на очень короткое время.

3. Конденсатор

Накопляет и разряжает заряд. Используется в процессе вспышки.

4. Отражающее зеркало

Направляет свет прямо на заготовку. Два типа: внутреннее и внешнее.

5. Линза

Для визуализации. Увеличивает изображение для удобства операции над заготовкой.

6. Заготовка (Workpiece)

Объект, над которым выполняется операция. Например, если телу нужна лазерная операция — мы заготовка. В производстве — детали для сверления/отверстий.

Принцип работы лазерной лучевой обработки

Лазерный луч (монохроматический свет) фокусируется линзой на заготовку, создавая экстремально высокую плотность энергии для плавления и испарения любого материала.

Лазерный кристалл (рубин) — цилиндр с плоскими отражающими концами, помещенный в катушку вспышковой лампы ~1000 Вт. Вспышка моделируется высокоинтенсивным белым светом ксенона. Кристалл возбуждается и излучает лазерный луч, фокусируемый линзой на заготовку.

Луч экстремально узок, фокусируется в точку с плотностью мощности 1000 кВт/см². Высокое тепло плавляет и испаряет участок металла.

Применение лазерной лучевой обработки

Лазеры для сварки, наплавки, маркировки, обработки поверхностей, сверления, резки и др. Применяются в авто, судостроении, авиации, сталелитейной, электронной, медицинской отраслях для точной обработки сложных деталей.

Лазерная сварка: скорости до 100 мм/с, сварка разнородных металлов. Наплавка: покрытие дешевых/слабых деталей твердым материалом для улучшения поверхности. Сверление и резка: малое износ инструмента (нет контакта). Фрезерование лазером — 3D-процесс с двумя лазерами, резко снижает затраты. Лазеры меняют поверхностные свойства заготовки.

Применение варьируется по отраслям. Легкое производство: гравировка, сверление других металлов. Электронная: снятие изоляции, скейвинг цепей. Медицинская: косметическая хирургия, удаление волос.

Преимущества лазерной лучевой обработки

Недостатки лазерной лучевой обработки

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Что такое лазерная лучевая обработка?

Вид обработки, использующий тепло лазерного луча. Тепловая энергия удаляет материал с металлических или неметаллических поверхностей.

Преимущество лазерной лучевой обработки?

Главные: легкость автоматизации сложных контуров, отсутствие износа и поломок инструмента, способность резать под малыми углами, высокая скорость. Бесконтактный процесс — передача энергии через облучение.

Какой лазер используется в LBM?

Газовые: CO2, эксимерные; твердотельные: Nd:YAG, YAG, фемтосекундные — самые популярные.

Принцип лазерной лучевой обработки?

Фокусировка луча на заготовку. При ударе луча в поверхность тепловая энергия передается поверхности. Нагрев, плавление, испарение — материал становится заготовкой.

Характеристики лазерного луча?

Монохроматичность, когерентность (пространственная и временная), направленность, яркость.

Какой лазерный материал используется в LBM?

Много типов твердотельных: Nd:YAG основной для LBM. Nd:YAG, рубин, Nd-стекло — для металлов. Nd:YAG также для керамики.

Что такое лазерное производство?

Применяется во многих отраслях для обработки материалов: керамика, полимеры, металлы. Прогресс лазерных технологий позволяет обрабатывать практически любой материал с беспрецедентной точностью и эффективностью.

Требует ли LBM вакуума на всей операции?

Нет. LBM универсален для металлов и неметаллов. Не требует вакуумной среды. Зона термического воздействия меньше, чем у других неконвенциональных процессов.

Типы лазеров?

По активной среде: 5 основных типов — газовые, твердотельные, волоконные, жидкие (красочные), полупроводниковые (диодные).

Основные свойства и применение лазерных лучей?

Устройство, проецирующее высококонцентрированный узкий луч, усиленный стимулированным излучением. 3 свойства: когерентность, коллимация, монохроматичность. Дают малый фокус с интенсивной мощностью.

Какие материалы можно обработать лазерным лучом?

LBM не зависит от электропроводности заготовки. Обрабатывает от пластиков до алмазов. Широкий спектр: сверление, резка, канавки, скрибинг, маркировка, очистка, точение.

Почему LBM нельзя для больших отверстий?

Лазерное излучение выше определенной плотности мощности вызывает плавление, испарение, выброс твердых частиц. С ростом диаметра и глубины выброшенные частицы плавятся и оседают на стенках и дне — не подходит для глубокого сверления.

Эксплуатационная стоимость станков LBM?

Обработка очень быстрая, наладка экономична.

Эксплуатационная стоимость станков в LBM?

Эксплуатационная стоимость низка, но стоимость самого оборудования высока.

Что делает лазерная технология?

Устройства используют свет для хранения, передачи, печати образов и текста; хирургия, вооружение. Когерентное излучение дает особую силу.

Что такое инверсия населенности в LBM?

Для лазерного действия население атомов в высшем энергетическом состоянии должно возрасти. Процесс увеличения населения высшего уровня (N2 > N1) — инверсия населенности. Метод достижения — накачка.

Применения лазерной обработки?

Сварка, наплавка, маркировка, обработка поверхностей, сверление, резка. Авто, судостроение, авиация, сталь, электроника, медицина — точная обработка сложных деталей.

Используется ли электронный луч в LBM?

Нет. В LBM — луч лазера (когерентные фотоны). Электронно-лучевая обработка использует луч электронов.

Кто изобрел лазерный луч?

Теодор Мейман (Hughes Research Laboratories), первый работающий лазер, 1960 г. Статья в Nature через 3 месяца.

Что такое лазер класса 3?

Средней мощности, требуют мер контроля для предотвращения прямого взгляда в луч. Акцент на защите глаз от прямого или зеркально отраженного луча.

Является ли LBM ограничением?

Применимо только к тонким сечениям и малому объему удаляемого материала. Контроль размера отверстия сложен. Сверленные отверстия могут иметь легкую конусность — не для больших отверстий.

Когда изобретен лазерный луч?

Декабрь 1958: изобретение лазера. Научные прорывы, меняющие быт. Лазер = light amplification by stimulated emission of radiation.

Могут ли лазеры резать металл?

Да. Обычно углеродистая, низкоуглеродистая, нержавеющая сталь, стальные сплавы, алюминий.

Производственный процесс

  1. Лазерная лучевая обработка: типы, процесс и применение
  2. Быстрое прототипирование: типы, процессы и преимущества
  3. Аддитивное производство: типы, процессы и применения
  4. Строгание: процесс, принцип работы и основные виды
  5. Ионно-лучевая обработка (IBM): принципы, процесс и промышленное применение
  6. Химическая обработка металлов: Точное удаление материала без напряжений
  7. Ультразвуковая обработка: Принцип работы, виды и применение
  8. Лазерная сварка: техники, виды и промышленное применение
  9. Сварка сопротивлением: виды, процессы и преимущества
  10. Координатно-растачивальные станки: типы, функции и преимущества