Լազերային կտրում

Լազերային կտրումը տեխնոլոգիա է, որն օգտագործում է լազեր՝ նյութերը գոլորշիացնելու համար, ինչը հանգեցնում է կտրվածքի եզրին:Թեև սովորաբար օգտագործվում է արդյունաբերական արտադրության համար, այն այժմ օգտագործվում է դպրոցների, փոքր բիզնեսի, ճարտարապետության և հոբբիների կողմից:Լազերային կտրումն աշխատում է բարձր հզորության լազերի ելքը ուղղելով առավել հաճախ օպտիկայի միջոցով:Լազերային օպտիկա և CNC (համակարգչային թվային հսկողություն) օգտագործվում են լազերային ճառագայթը նյութին ուղղելու համար:Կտրող նյութերի առևտրային լազերը օգտագործում է շարժման կառավարման համակարգ՝ հետևելու նյութի վրա կտրվող նախշի CNC կամ G կոդի:Կենտրոնացված լազերային ճառագայթն ուղղված է նյութին, որն այնուհետև կամ հալչում է, այրվում, գոլորշիանում, կամ փչում է գազի շիթով [1]՝ թողնելով եզրը բարձրորակ մակերեսով [2] ։

1965 թվականին առաջին արտադրական լազերային կտրող մեքենան օգտագործվեց ադամանդե ձուլակտորների վրա անցքեր փորելու համար:Այս մեքենան պատրաստվել է Western Electric Engineering Research Center-ի կողմից[3]:1967 թվականին բրիտանացիները լազերային օգնությամբ թթվածնային շիթով կտրում են մետաղների համար [4]:1970-ականների սկզբին այս տեխնոլոգիան գործարկվեց՝ օդատիեզերական կիրառությունների համար տիտանը կտրելու համար:Միևնույն ժամանակ CO2 լազերը հարմարեցված էին կտրելու ոչ մետաղներ, ինչպիսիք են տեքստիլները, քանի որ այն ժամանակ CO2 լազերը բավականաչափ հզոր չէին մետաղների ջերմային հաղորդունակությունը հաղթահարելու համար [5]:

Գործընթացը

Պողպատի արդյունաբերական լազերային կտրում CNC ինտերֆեյսի միջոցով ծրագրավորված կտրման հրահանգներով
Լազերային ճառագայթը հիմնականում կենտրոնացված է աշխատանքային գոտու վրա բարձրորակ ոսպնյակի միջոցով:Ճառագայթի որակը ուղղակիորեն ազդում է կենտրոնացված կետի չափի վրա:Կենտրոնացված ճառագայթի ամենանեղ հատվածը սովորաբար 0,0125 դյույմից (0,32 մմ) տրամագծով պակաս է:Կախված նյութի հաստությունից, հնարավոր են 0,004 դյույմ (0,10 մմ) չափերի լայնություն։[6]Որպեսզի կարողանանք կտրել եզրից բացի այլ տեղից, յուրաքանչյուր կտրումից առաջ ծակում են:Պիրսինգը սովորաբար ներառում է բարձր հզորության իմպուլսային լազերային ճառագայթ, որը դանդաղորեն անցք է բացում նյութի վրա՝ տևելով մոտ 5–15 վայրկյան, օրինակ, 0,5 դյույմ հաստությամբ (13 մմ) չժանգոտվող պողպատից:

Լազերային աղբյուրի համահունչ լույսի զուգահեռ ճառագայթները հաճախ ընկնում են 0,06–0,08 դյույմ (1,5–2,0 մմ) տրամագծով միջակայքում։Այս ճառագայթը սովորաբար կենտրոնանում և ուժեղանում է ոսպնյակի կամ հայելու միջոցով մի շատ փոքր կետում՝ մոտ 0,001 դյույմ (0,025 մմ)՝ ստեղծելու շատ ինտենսիվ լազերային ճառագայթ:Եզրագծային կտրման ընթացքում հնարավորինս սահուն ավարտի հասնելու համար, ճառագայթի բևեռացման ուղղությունը պետք է պտտվի, երբ այն անցնում է եզրագծված աշխատանքային մասի ծայրամասով:Թիթեղների կտրման համար կիզակետային երկարությունը սովորաբար կազմում է 1,5–3 դյույմ (38–76 մմ)։[7]

Լազերային կտրման առավելությունները մեխանիկական կտրման նկատմամբ ներառում են աշխատատեղերի ավելի հեշտ պահպանումը և աշխատանքային մասի աղտոտվածության նվազեցումը (քանի որ չկա կտրող եզր, որը կարող է աղտոտվել նյութից կամ աղտոտել նյութը):Ճշգրիտությունը կարող է ավելի լավ լինել, քանի որ լազերային ճառագայթը չի մաշվում գործընթացի ընթացքում:Կտրվող նյութը ծռվելու հավանականությունը նույնպես նվազում է, քանի որ լազերային համակարգերն ունեն ջերմության ազդեցության փոքր գոտի:[8]Որոշ նյութեր նույնպես շատ դժվար է կամ անհնար է կտրել ավելի ավանդական միջոցներով:

Մետաղների լազերային կտրումը պլազմային կտրման նկատմամբ ունի առավելություններ՝ ավելի ճշգրիտ[9] և մետաղական թիթեղ կտրելիս ավելի քիչ էներգիա օգտագործելու համար.Այնուամենայնիվ, արդյունաբերական լազերների մեծ մասը չի կարող կտրել մետաղի ավելի մեծ հաստությունը, որը կարող է պլազմային:Ավելի նոր լազերային մեքենաները, որոնք աշխատում են ավելի բարձր հզորությամբ (6000 վտ, ի տարբերություն վաղ լազերային կտրող մեքենաների 1500 վտ հզորության) մոտենում են պլազմային մեքենաներին հաստ նյութերը կտրելու իրենց ունակությամբ, սակայն նման մեքենաների կապիտալ արժեքը շատ ավելի բարձր է, քան պլազմայինը։ կտրող մեքենաներ, որոնք ունակ են կտրելու հաստ նյութեր, ինչպիսիք են պողպատե թիթեղները:[10]
Տեսակներ

4000 վտ CO2 լազերային կտրիչ
Գոյություն ունեն երեք հիմնական տեսակի լազերներ, որոնք օգտագործվում են լազերային կտրման մեջ.CO2 լազերը հարմար է կտրելու, փորելու և փորագրելու համար:Նեոդիմում (Nd) և նեոդիմում իտրիում-ալյումին-նռնաքար (Nd:YAG) լազերները ոճով նույնական են և տարբերվում են միայն կիրառությունից:Nd-ն օգտագործվում է ձանձրալի համար և որտեղ պահանջվում է բարձր էներգիա, բայց ցածր կրկնություն:Nd:YAG լազերը օգտագործվում է այնտեղ, որտեղ անհրաժեշտ է շատ բարձր հզորություն, ինչպես նաև ձանձրալի և փորագրման համար:Եռակցման համար կարող են օգտագործվել և՛ CO2, և՛ Nd/Nd:YAG լազերները։[11]

CO2 լազերները սովորաբար «պոմպվում» են՝ հոսանք անցնելով գազային խառնուրդի միջով (DC-գրգռված) կամ օգտագործելով ռադիոհաճախականության էներգիա (RF-գրգռված):ՌԴ մեթոդն ավելի նոր է և դարձել է ավելի տարածված:Քանի որ DC նախագծերը պահանջում են էլեկտրոդներ խոռոչի ներսում, դրանք կարող են հանդիպել էլեկտրոդների էրոզիայի և էլեկտրոդի նյութի երեսպատման ապակյա իրերի և օպտիկայի վրա:Քանի որ ՌԴ ռեզոնատորներն ունեն արտաքին էլեկտրոդներ, նրանք հակված չեն այդ խնդիրներին:CO2 լազերները օգտագործվում են բազմաթիվ նյութերի արդյունաբերական կտրման համար, այդ թվում՝ տիտանի, չժանգոտվող պողպատի, մեղմ պողպատի, ալյումինի, պլաստիկի, փայտի, մշակված փայտի, մոմի, գործվածքների և թղթի համար:YAG լազերները հիմնականում օգտագործվում են մետաղներ և կերամիկա կտրելու և քերելու համար։[12]

Բացի էներգիայի աղբյուրից, գազի հոսքի տեսակը կարող է ազդել նաև աշխատանքի վրա:CO2 լազերների ընդհանուր տարբերակները ներառում են արագ առանցքային հոսք, դանդաղ առանցքային հոսք, լայնակի հոսք և սալաքար:Արագ առանցքային հոսքի ռեզոնատորում ածխածնի երկօքսիդի, հելիումի և ազոտի խառնուրդը մեծ արագությամբ շրջանառվում է տուրբինի կամ փչակի միջոցով:Լայնակի հոսքի լազերները գազային խառնուրդը շրջանառում են ավելի ցածր արագությամբ՝ պահանջելով ավելի պարզ փչակ:Սալից կամ դիֆուզիոն սառեցված ռեզոնատորներն ունեն գազի ստատիկ դաշտ, որը չի պահանջում ճնշում կամ ապակյա իրեր, ինչը հանգեցնում է փոխարինող տուրբինների և ապակյա իրերի խնայողության:

Լազերային գեներատորը և արտաքին օպտիկան (ներառյալ ֆոկուսային ոսպնյակը) պահանջում են սառեցում:Կախված համակարգի չափից և կազմաձևից, թափոնային ջերմությունը կարող է փոխանցվել հովացուցիչ նյութի միջոցով կամ ուղղակիորեն օդ:Ջուրը սովորաբար օգտագործվող հովացուցիչ նյութ է, որը սովորաբար շրջանառվում է սառեցնող սարքի կամ ջերմափոխանակման համակարգի միջոցով:

Լազերային միկրոռետն իրենից ներկայացնում է ջրի շիթով առաջնորդվող լազեր, որում իմպուլսային լազերային ճառագայթը միացված է ցածր ճնշման ջրի շիթին:Սա օգտագործվում է լազերային կտրման գործառույթներ կատարելու համար, մինչդեռ ջրի շիթն օգտագործում է լազերային ճառագայթը, ինչպես օպտիկական մանրաթելին, ուղղորդում է ընդհանուր ներքին արտացոլման միջոցով:Դրա առավելություններն այն են, որ ջուրը նաև հեռացնում է բեկորները և սառեցնում է նյութը:Ավանդական «չոր» լազերային կտրման նկատմամբ լրացուցիչ առավելություններն են՝ խորանարդի կտրման բարձր արագությունը, զուգահեռ միջանցքը և միակողմանի կտրումը:[13]

Մանրաթելային լազերները պինդ վիճակի լազերների տեսակ են, որոնք արագորեն զարգանում են մետաղահատման արդյունաբերության մեջ:Ի տարբերություն CO2-ի, մանրաթելային տեխնոլոգիան օգտագործում է պինդ ձեռքբերման միջավայր՝ ի տարբերություն գազի կամ հեղուկի:«Սերմային լազերը» արտադրում է լազերային ճառագայթը և այնուհետև ուժեղացվում է ապակե մանրաթելի մեջ:Ընդամենը 1064 նանոմետր օպտիկամանրաթելային լազերներ ալիքի երկարությամբ արտադրում են չափազանց փոքր կետի չափ (մինչև 100 անգամ փոքր՝ CO2-ի համեմատ), ինչը այն իդեալական է դարձնում ռեֆլեկտիվ մետաղական նյութը կտրելու համար:Սա մանրաթելերի հիմնական առավելություններից մեկն է CO2-ի համեմատ:[14]

Մանրաթելային լազերային կտրիչի առավելությունները ներառում են.

Արագ մշակման ժամանակներ:
Նվազեցված էներգիայի սպառում և վճարումներ՝ ավելի մեծ արդյունավետության շնորհիվ:
Ավելի մեծ հուսալիություն և արդյունավետություն. չկան օպտիկա՝ հարմարեցնելու կամ հարթեցնելու համար, և չկան լամպեր՝ փոխարինելու համար:
Նվազագույն սպասարկում.
Բարձր արտացոլող նյութերը մշակելու ունակություն, ինչպիսիք են պղինձը և արույրը
Ավելի բարձր արտադրողականություն. ավելի ցածր գործառնական ծախսեր առաջարկում են ձեր ներդրումների ավելի մեծ վերադարձ[15]:

Մեթոդներ
Լազերների միջոցով կտրելու շատ տարբեր մեթոդներ կան, որոնցից տարբեր տեսակներ են օգտագործվում տարբեր նյութեր կտրելու համար:Մեթոդներից մի քանիսն են՝ գոլորշիացում, հալեցում և փչում, հալեցնում և այրում, ջերմային սթրեսի ճեղքում, քերծվածք, սառը կտրում և այրման կայունացված լազերային կտրում:

Գոլորշիացման կտրում
Գոլորշիացման կտրման ժամանակ կենտրոնացված ճառագայթը տաքացնում է նյութի մակերեսը մինչև բռնկման կետ և առաջացնում է բանալու անցք:Բանալու անցքը հանգեցնում է կլանման հանկարծակի բարձրացման՝ արագ խորացնելով անցքը:Երբ անցքը խորանում է, և նյութը եռում է, առաջացած գոլորշիները քայքայում են հալված պատերը, որոնք դուրս են թափվում և ավելի են մեծացնում անցքը:Այս մեթոդով սովորաբար կտրվում են չհալվող նյութերը, ինչպիսիք են փայտը, ածխածինը և ջերմակայուն պլաստիկը:
Հալեցնել և փչել
Հալվել և փչել կամ միաձուլման կտրումը օգտագործում է բարձր ճնշման գազ՝ հալած նյութը կտրելու տարածքից փչելու համար՝ զգալիորեն նվազեցնելով էներգիայի պահանջարկը:Սկզբում նյութը տաքացվում է մինչև հալման կետը, այնուհետև գազի շիթը դուրս է մղում հալած նյութը միջուկից՝ խուսափելով նյութի ջերմաստիճանը հետագայում բարձրացնելու անհրաժեշտությունից:Այս գործընթացով կտրված նյութերը սովորաբար մետաղներ են:

Ջերմային սթրեսի ճեղքում
Փխրուն նյութերը հատկապես զգայուն են ջերմային ճեղքման նկատմամբ, մի հատկանիշ, որն օգտագործվում է ջերմային սթրեսային ճեղքման ժամանակ:Ճառագայթը կենտրոնացած է մակերեսի վրա՝ առաջացնելով տեղայնացված ջեռուցում և ջերմային ընդլայնում:Սա հանգեցնում է ճեղքի, որն այնուհետև կարող է առաջնորդվել ճառագայթը շարժելով:Ճեղքը կարելի է տեղափոխել մ/վ կարգով:Այն սովորաբար օգտագործվում է ապակի կտրելու համար։

Սիլիկոնային վաֆլիների գաղտագողի կտրում
Լրացուցիչ տեղեկություններ. Վաֆլի խորանարդիկներ
Կիսահաղորդչային սարքերի արտադրության մեջ պատրաստված միկրոէլեկտրոնային չիպերի բաժանումը սիլիկոնային վաֆլիներից կարող է իրականացվել այսպես կոչված «գաղտագողի խորանարդի» միջոցով, որն աշխատում է իմպուլսային Nd:YAG լազերով, որի ալիքի երկարությունը (1064 նմ) լավ հարմարեցված է էլեկտրոնայինին: սիլիցիումի ժապավենի բացը (1,11 էՎ կամ 1117 նմ):

Ռեակտիվ կտրում
Նաև կոչվում է «այրվող կայունացված լազերային գազի կտրում», «բոցով կտրում»:Ռեակտիվ կտրումը նման է թթվածնի ջահի կտրմանը, բայց որպես բոցավառման աղբյուր լազերային ճառագայթով:Հիմնականում օգտագործվում է 1 մմ-ից ավելի հաստությամբ ածխածնային պողպատը կտրելու համար:Այս գործընթացը կարող է օգտագործվել համեմատաբար փոքր լազերային հզորությամբ շատ հաստ պողպատե թիթեղները կտրելու համար:

Հանդուրժողություններ և մակերեսային հարդարում
Լազերային կտրիչներն ունեն 10 միկրոմետր դիրքավորման ճշգրտություն և 5 միկրոմետր կրկնելիություն:

Ստանդարտ կոշտությունը Rz-ն ավելանում է թերթի հաստությամբ, բայց նվազում է լազերային հզորությամբ և կտրման արագությամբ:800 Վտ լազերային հզորությամբ ցածր ածխածնային պողպատը կտրելիս ստանդարտ կոշտությունը Rz-ը 10 մկմ է 1 մմ թերթիկի հաստության համար, 20 մկմ՝ 3 մմ և 25 մկմ՝ 6 մմ:

{\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}}}}
Որտեղ՝ {\displaystyle S=}S= պողպատե թերթի հաստությունը մմ-ով;{\displaystyle P=}P= լազերային հզորությունը կՎտ-ով (որոշ նոր լազերային կտրիչներ ունեն 4 կՎտ լազերային հզորություն);{\displaystyle V=}V= կտրման արագությունը րոպեում մետրերով:[16]

Այս գործընթացը կարող է բավականին մոտ հանդուրժողականություն պահել, հաճախ մինչև 0,001 դյույմ (0,025 մմ):Մասի երկրաչափությունը և մեքենայի մեխանիկական կայունությունը մեծապես կապված են հանդուրժողականության կարողությունների հետ:Լազերային ճառագայթով կտրման արդյունքում առաջացող մակերևույթի տիպիկ հարդարումը կարող է տատանվել 125-ից մինչև 250 միկրո դյույմ (0,003 մմ-ից 0,006 մմ):[11]

Մեքենայի կոնֆիգուրացիաներ

Երկու ծղոտե ներքնակ թռչող օպտիկայի լազեր

Թռչող օպտիկա լազերային գլուխ
Ընդհանուր առմամբ կան արդյունաբերական լազերային կտրող մեքենաների երեք տարբեր կոնֆիգուրացիաներ՝ շարժվող նյութ, հիբրիդ և թռչող օպտիկա համակարգեր:Դրանք վերաբերում են այն եղանակին, որով լազերային ճառագայթը տեղափոխվում է կտրվող կամ մշակվող նյութի վրայով:Այս բոլորի համար շարժման առանցքները սովորաբար նշանակվում են X և Y առանցքներով:Եթե ​​կտրող գլուխը կարող է կառավարվել, այն նշանակվում է որպես Z առանցք:

Շարժվող նյութերի լազերներն ունեն անշարժ կտրող գլուխ և նյութը տեղափոխում են դրա տակ։Այս մեթոդը ապահովում է մշտական ​​հեռավորություն լազերային գեներատորից մինչև աշխատանքային մաս և մեկ կետ, որտեղից կարելի է հեռացնել կտրող արտահոսքը:Այն պահանջում է ավելի քիչ օպտիկա, բայց պահանջում է տեղափոխել աշխատանքային մասը:Այս ոճի մեքենան հակված է ունենալ նվազագույն ճառագայթային օպտիկա, բայց նաև հակված է լինել ամենադանդաղը:

Հիբրիդային լազերները ապահովում են սեղան, որը շարժվում է մեկ առանցքով (սովորաբար X առանցքով) և գլուխը տեղափոխում ավելի կարճ (Y) առանցքի երկայնքով:Սա հանգեցնում է ճառագայթի առաքման ուղու ավելի հաստատուն երկարության, քան թռչող օպտիկական մեքենան, և կարող է թույլ տալ ավելի պարզ ճառագայթների առաքման համակարգ:Սա կարող է հանգեցնել մատակարարման համակարգում էներգիայի կորստի նվազմանը և մեկ վտ-ի համար ավելի մեծ հզորության, քան թռչող օպտիկայի մեքենաները:

Թռչող օպտիկայի լազերները ունեն անշարժ սեղան և կտրող գլուխ (լազերային ճառագայթով), որը շարժվում է աշխատանքային մասի վրայով երկու հորիզոնական հարթություններում:Թռչող օպտիկայի կտրիչները մշակման ընթացքում անշարժ են պահում աշխատանքային մասը և հաճախ չեն պահանջում նյութի սեղմում:Շարժվող զանգվածը մշտական ​​է, ուստի դինամիկայի վրա չի ազդում աշխատանքային մասի տարբեր չափերը:Թռչող օպտիկայի մեքենաները ամենաարագ տիպն են, ինչը ձեռնտու է ավելի բարակ աշխատանքային մասերը կտրելիս։[17]

Թռչող օպտիկական մեքենաները պետք է օգտագործեն ինչ-որ մեթոդ՝ հաշվի առնելու փնջի երկարությունը մոտակա դաշտից (ռեզոնատորին մոտ) կտրվածքից մինչև հեռավոր դաշտ (ռեզոնատորից հեռու) կտրվածք:Սա վերահսկելու ընդհանուր մեթոդները ներառում են կոլիմացիա, հարմարվողական օպտիկա կամ ճառագայթի երկարության հաստատուն առանցքի օգտագործումը:

 
Հինգ և վեց առանցք ունեցող մեքենաները նաև թույլ են տալիս կտրել ձևավորված աշխատանքային մասերը:Բացի այդ, կան լազերային ճառագայթը ձևավորված աշխատանքային մասի վրա կողմնորոշելու տարբեր եղանակներ, պահպանելով համապատասխան ֆոկուսային հեռավորությունը և վարդակների անջատումը և այլն:

Զարկերակային
Իմպուլսային լազերները, որոնք կարճ ժամանակահատվածում ապահովում են էներգիայի բարձր հզորության պոռթկում, շատ արդյունավետ են որոշ լազերային կտրման գործընթացներում, մասնավորապես, ծակելու համար, կամ երբ պահանջվում են շատ փոքր անցքեր կամ շատ ցածր կտրման արագություն, քանի որ եթե օգտագործվում է մշտական ​​լազերային ճառագայթ, ջերմությունը կարող էր հասնել այն աստիճանի, որ ամբողջ կտրված կտորը հալվի:

Արդյունաբերական լազերների մեծամասնությունը NC (թվային հսկողություն) ծրագրի հսկողության ներքո ունի իմպուլսային կամ կտրելու CW (շարունակական ալիք):

Կրկնակի իմպուլսային լազերները օգտագործում են մի շարք զարկերակային զույգեր՝ նյութի հեռացման արագությունը և անցքերի որակը բարելավելու համար:Ըստ էության, առաջին զարկերակը հեռացնում է նյութը մակերևույթից, իսկ երկրորդը թույլ չի տալիս, որ արտանետումները կպչեն անցքի կամ կտրվածքի կողքին [18]:

Էլեկտրաէներգիայի սպառում
Լազերային կտրման հիմնական թերությունը մեծ էներգիայի սպառումն է։Արդյունաբերական լազերային արդյունավետությունը կարող է տատանվել 5%-ից մինչև 45% [19]Ցանկացած կոնկրետ լազերի էներգիայի սպառումը և արդյունավետությունը տարբեր կլինեն՝ կախված ելքային հզորությունից և գործառնական պարամետրերից:Սա կախված կլինի լազերի տեսակից և այն բանից, թե որքանով է լազերը համապատասխանեցված աշխատանքին:Հատուկ աշխատանքի համար պահանջվող լազերային կտրման հզորության քանակը, որը հայտնի է որպես ջերմային ներածում, կախված է նյութի տեսակից, հաստությունից, օգտագործվող գործընթացից (ռեակտիվ/իներտ) և կտրման ցանկալի արագությունից: