Κοπή με λέιζερ

Από τη Βικιπαίδεια, την ελεύθερη εγκυκλοπαίδεια
Πήδηση στην πλοήγηση Πήδηση στην αναζήτηση
Διάγραμμα κόπτη με λέιζερ
CAD (πάνω) και εξάρτημα από ανοξείδωτο χάλυβα κομμένο με λέιζερ  (κάτω )

Η κοπή με λέιζερ είναι τεχνολογία που χρησιμοποιεί λέιζερ για την κοπή υλικών. Συνήθως χρησιμοποιείται σε βιομηχανικές εφαρμογές. Αρχίζει όμως να χρησιμοποιείται από σχολεία, μικρές επιχειρήσεις και χομπίστες. Λειτουργεί κατευθύνοντας, συνήθως μέσα από οπτικά συστήματα, την δέσμη ενός λέιζερ  υψηλής ισχύος  στο προς κοπή υλικό.  Για να κατευθύνουν το υλικό ή την παραγόμενη  ακτίνα λέιζερ, χρησιμοποιούνται τα οπτικά του λέιζερ αλλά και CNC (computer numerical control).  Έτσι ένα τυπικό εμπορικό λέιζερ για την κοπή υλικών αποτελείται από ένα CNC που εκτελεί κάποιον κώδικα  G-κώδικα που κατευθύνει την κεφαλή λέιζερ, ώστε να γίνει η κοπή του επιθυμητού σχέδιου πάνω στο υλικό. Η εστιασμένη ακτίνα λέιζερ κατευθύνεται στο υλικό, το οποίο στη συνέχεια  λιώνει, καίγεται ή ατμοποιείται  ή πετάγεται μακρυά από το φύσημα με ένα αέριο,[1] αφήνοντας μια επιφάνεια κοπής με ένα υψηλής ποιότητας φινίρισμα. Βιομηχανικοί κόπτες λέιζερ χρησιμοποιούνται για την κοπή επίπεδων φύλλων υλικών, καθώς και δομικών υλικών και  υλικών σωληνώσεων.

Ιστορία[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

 Η πρώτη μηχανή παραγωγής κοπής με  λέιζερ χρησιμοποιήθηκε το 1965 για να κάνει τρύπες σε ένα υπόστρωμα από διαμάντι. Αυτή η μηχανή κατασκευάστηκε από την Western Electric Engineering Research Center.[2]  Το 1967, οι Βρετανοί πρωτοστατούσαν στις κοπές μετάλλων με λέιζερ που υποβοηθούνταν από οξυγόνο .[3] Στις αρχές της δεκαετίας του 1970, η τεχνολογία αυτή μπήκε στην παραγωγή για την κοπή τιτανίου για αεροδιαστημικές εφαρμογές. Την ίδια εποχή τα λέιζερ CO2 προσαρμόστηκαν για την κοπή μη-μεταλλικών υλικών, όπως υφάσματα. Εκείνη την εποχή τα λέιζερ CO2 δεν μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την κοπή μετάλλων, επειδή δεν ήταν ήταν αρκετά ισχυρά, ώστε να ξεπεραστεί η θερμική αγωγιμότητα των μετάλλων.[4]

Διαδικασία[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Βιομηχανική κοπή χάλυβα με λέιζερ με τις οδηγίες κοπής προγραμματισμένες μέσω της διεπαφής ενός CNC

Η δημιουργία των δεσμών ακτίνων  λέιζερ περιλαμβάνει εξαναγκασμένη διέγερση ενός  υλικού από ηλεκτρικές εκκενώσεις ή λαμπτήρες μέσα σε ένα κλειστό δοχείο που λέγεται συντονιστής (resonator) ή κοιλότητα (cavity). Καθώς το υλικό διεγείρεται, η δέσμη ανακλάται εσωτερικά από ένα ημιπερατό κάτοπτρο, μέχρι να φτάσει σε επαρκή ενέργεια, ώστε να ξεφύγει ως μονοχρωματικό σύμφωνο φως. Συνήθως χρησιμοποιούνται κάτοπτρα ή οπτικές ίνες για να κατευθύνουν το  σύμφωνο φως σε ένα φακό, ο οποίος στη συνέχεια το εστιάζει στo σημείο εργασίας. Το στενότερο σημείο της εστιασμένης δέσμης είναι γενικά μικρότερο από 0,32 mm σε διάμετρο. Ανάλογα με το πάχος του υλικού, είναι δυνατά μικρά πλάτη τομής (kerf) της τάξης των 0,10mm .[5] Για να ξεκινήσει η  κοπή από άλλο σημείο, και όχι από την άκρη του υλικού, πριν από κάθε κοπή πρέπει να προηγηθεί διάτρηση. Η διάτρηση συνήθως γίνεται από έναν παλμό δέσμης λέιζερ υψηλής ενέργειας, που σιγά-σιγά κάνει μια τρύπα στο υλικό. Η διάτρηση χρειάζεται για παράδειγμα, ανάλογα με την ισχύ του λέιζερ, 5-15 δευτερόλεπτα περίπου για υλικό  από ανοξείδωτο χάλυβα πάχους 13mm.

Οι παράλληλες ακτίνες του σύμφωνου φωτός, όπως παράγονται αρχικά από την πηγή λέιζερ, συνήθως περιορίζονται σε μία περιοχή διαμέτρου  μεταξύ 1,5-2mm.  Αυτή η δέσμη στη συνέχεια εστιάζεται από ένα φακό ή ένα κάτοπτρο σε ένα πολύ μικρό σημείο διαμέτρου περίπου 0,025mm, ώστε να δημιουργηθεί μια πολύ έντονη ακτίνα λέιζερ (μεγάλης πυκνότητας ισχύος ανά μονάδα επιφάνειας). Προκειμένου να επιτευχθεί το πιο λείο φινίρισμα κατά τη διάρκεια της κοπής ενός περιγράμματος, πρέπει να περιστρέφεται  η κατεύθυνση πόλωσης των ακτίνων,   καθώς η δέσμη κινείται γύρω από την περιφέρεια της καμπύλης κοπής του υπό κατεργασία τεμαχίου. Για την κοπή μεταλλικών φύλλων, το εστιακό μήκος των φακών εστίασης είναι συνήθως 38-76mm .[6]

Πλεονεκτήματα της τεχνολογίας κοπής με λέιζερ[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Η τεχνολογία λέιζερ έχει τα ακόλουθα πλεονεκτήματα:

  • Υψηλή ακρίβεια
  • Εξαιρετική ποιότητα κοπής
  • Υψηλή ταχύτητα επεξεργασίας
  • Μικρό πλάτος τομής
  • Πολύ μικρή θερμικά επηρεαζόμενη ζώνη σε σχέση με τις άλλες θερμικές μεθόδους κοπής
  • Πολύ μικρή εφαρμογή θερμότητας και επομένως ελάχιστη συστολή του κοπτόμενου υλικού
  • Είναι δυνατόν να κοπούν περίπλοκα γεωμετρικά σχήματα, μικρές οπές, και λοξοτομημένα εξαρτήματα
  • Κοπή και χάραξη με το ίδιο εργαλείο
  • Κοπή πολλών τύπων υλικών
  • Δεν υπάρχει επαφή του εργαλείου κοπής (κεφαλή λέιζερ)  και προς κοπή υλικού και έτσι δεν ασκείται καμμία δύναμη στο προς κατεργασία τεμάχιο
  • Ο εύκολος και γρήγορος έλεγχος της ισχύος του λέιζερ πάνω σε μία πλατιά περιοχή  (1-100%) καθιστά δυνατή τη μείωση της ισχύος σε πυκνές καμπύλες του σχεδίου κοπής
  • Το στρώμα οξειδίου που σχηματίζεται πάνω στην τομή κοπής είναι πολύ λεπτό και απομακρύνεται εύκολα
  • Κοπή υψηλής πίεσης με χρήση αζώτου κάνει δυνατή κοπή χωρίς οξείδια

Άλλα πλεονεκτήματατης κοπής με λέιζερ, σε σχέση με τη μηχανική κοπή, περιλαμβάνουν ευκολότερη συγκράτηση του τεμαχίου και μειωμένη μόλυνση του προς κατεργασία υλικού, δεδομένου ότι δεν υπάρχει καμία ακμή κοπής η οποία μπορεί να μολυνθεί από το υλικό ή να μολύνει το υλικό. Επίσης η ακρίβεια μπορεί να είναι καλύτερη, επειδή η δέσμη λέιζερ δεν "φθείρεται" κατά τη διάρκεια της κοπής, όπως συμβαίνει με τα μηχανικά εργαλεία. Μειώνεται επίσης η πιθανότητα παραμόρφωσης του κοπτόμενου υλικού, καθώς όπως αναφέραμε παραπάνω, τα συστήματα λέιζερ έχουν  μικρή θερμικά επηρεαζόμενη ζώνη. Κάποια υλικά είναι επίσης πολύ δύσκολο ή αδύνατο να κοπούν με τις περισσότερες παραδοσιακές μεθόδους, ενώ είναι δυνατή η κοπή τους με λέιζερ..

Σύγκριση κοπής με Λέιζερ σε σχέση με την κοπή πλάσματος[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

H κοπή μετάλλων με Λέιζερ πλεονεκτεί , σε σχέση με την κοπή πλάσματος, στο ότι  είναι πιο ακριβής και χρησιμοποιεί λιγότερη ενέργεια κατά την κοπή μεταλλικών φύλλων.  Ωστόσο τα περισσότερα βιομηχανικά λέιζερ δεν μπορούν να κόψουν μεγάλα πάχη μετάλλων, όπως μπορούν οι συσκευές πλάσματος. Νεότερες όμως μηχανές λέιζερ που λειτουργούν σε υψηλότερη ισχύ (6000 watt, σε αντίθεση με τις πρώιμες μηχανές λέιζερ ισχύος 1500 watt ) πλησιάζουν τις μηχανές πλάσματος στην ικανότητά κοπής παχέων υλικών, αλλά το κόστος αγοράς τους είναι πολύ υψηλότερο από το κόστος των αντίστοιχων μηχανών πλάσματος.

Τύποι[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

HACO fiber laser cutting machine
Μηχανή κοπής λέιζερ ινών (fiber laser) HACO με ενσωματωμένo σύστημα φoρτώματος και ξεφορτώματος
laser κοπής CO2 4000 watt

Υπάρχουν τρεις βασικοί τύποι λέιζερ για την κοπή υλικών:

  • Το λέιζερ CO2  που είναι κατάλληλο για κοπή, τρύπημα και χαρακτική.
  • Το λέιζερ νεοδυμίου (Nd)
  • και το λέιζερ νεοδυμίου υττρίου - αλουμινίου - γρανάτη (Nd:YAG)  που  είναι πανομοιότυπα σε στυλ και διαφέρουν μόνο στην εφαρμογή.

Το λέιζερ Nd χρησιμοποιείται για διάτρηση, όπου απαιτείται υψηλή ενέργεια, αλλά χαμηλή επαναληψιμότητα. Το λέιζερ  Nd:YAG χρησιμοποιείται όπου απαιτείται υψηλή ισχύς αλλά χρησιμοποιείται επίσης για διάτρηση και χαρακτική.

Και οι τρείς τύποι λέιζερ CO2 και Nd/Nd:YAG μπορούν να χρησιμοποιηθούν επίσης για συγκόλληση.[7]

Συνηθισμένες παραλλαγές του λέιζερ CO2 είναι τα γρήγορης αξονικής ροής, αργής αξονικής ροής, εγκάρσιας ροής και πλακών (slab).

Τα λέιζερ CO2  συνήθως "διεγείρονται", είτε περνώντας ένα ρεύμα μέσα από το αέριο μείγμα (διεγειρόμενα με DC ρεύμα) ή χρησιμοποιώντας την ενέργεια ραδιοσυχνότητας (RF-διεγειρόμενα). Η μέθοδος RF είναι νεότερη και έχει γίνει πιο δημοφιλής. Επειδή οι DC σχεδιασμοί απαιτούν ηλεκτρόδια μέσα στην κοιλότητα, τα ηλεκτρόδια μπορεί να  διαβρωθούν και το υλικό τους να εναπoτεθεί στα γυάλινα μέρη τους και στα οπτικά τους. Επειδή οι RF συντονιστές έχουν εξωτερικά ηλεκτρόδια, δεν παρουσιάζουν αυτά τα προβλήματα.

Τα λέιζερ CO2  χρησιμοποιούνται για τη βιομηχανική κοπή πολλών υλικών, συμπεριλαμβανομένων τιτανίου, ανοξείδωτου χάλυβα, ανθρακούχου χάλυβα, αλουμινίου, πλαστικού, ξύλου, επεξεργασμένου ξύλου, κεριού, υφασμάτων και  χαρτιού. Τα λέιζερ  Nd:YAG χρησιμοποιούνται κυρίως για την κοπή και την χάραξη μετάλλων και κεραμικών.

Εκτός από την πηγή ισχύος, ο τύπος  του χρησιμοποιούμενου αερίου μπορεί επίσης να επηρεάσει την απόδοση. Σε ένα γρήγορο αντηχείο αξονικής ροής, το μείγμα διοξειδίου του άνθρακα, ήλιου και αζώτου κυκλοφορεί με υψηλή ταχύτητα από ένα στρόβιλο ή  ανεμιστήρα. Τα λέιζερ  εγκάρσιας ροής ανακυκλώνουν το αέριο μίγμα σε χαμηλότερη ταχύτητα, και έτσι χρειάζονται έναν πιο απλό ανεμιστήρα. Τα αντηχεία (resonators) που ψύχονται με πλάκα   ή διάχυση έχουν ένα στατικό πεδίο αερίου που δεν απαιτεί συμπίεση ή γυάλινα μέρη, και έτσι είναι πιο οικονομικά, επειδή δεν χρειάζονται αντικατάσταση των τουρμπινών ή των γυάλινων μερών τους.

Η γεννήτρια λέιζερ και τα εξωτερικά οπτικά μέρη (συμπεριλαμβανομένων των φακών εστίασης) χρειάζονται ψύξη. Ανάλογα με το μέγεθος και τη διαμόρφωση του συστήματος, η παραγόμενη θερμότητα μπορεί να μεταφερθεί από ένα ψυκτικό μέσο ή απευθείας στον αέρα.  Ένα  συνηθισμένο ψυκτικό μέσο είναι το νερό, που συνήθως ανακυκλώνεται μέσα από ένα ψυγείο.

Ένα λέιζερ microjet είναι ένα λέιζερ που καθοδηγείται από έναν πίδακα νερού. Σε αυτά μία δέσμη λέιζερ συνδυάζεται με έναν πίδακα νερού χαμηλής πίεσης. Ο πίδακας νερού χρησιμοποιείται για να κατευθύνει  τη δέσμη λέιζερ στο σημείο κοπής μέσω της ολικής εσωτερικής ανάκλασης, όπως ακριβώς μια οπτική ίνα. Πλεονεκτήματα αυτής της μεθόδου είναι ότι το νερό αφαιρεί και τις ακαθαρσίες και επιπλέον ψύχει το υλικό. Άλλα πλεονεκτήματα έναντι των παραδοσιακών λέιζερ "στεγνής" κοπής είναι υψηλές ταχύτητες, παράλληληλη τομή κοπής  και πανκατευθυντική (omnidirectional ) κοπή.

Τα Λέιζερ ινών (Fiber lasers) είναι ένας τύπος λέιζερ στερεάς κατάστασης που  αναπτύσσεται ταχέως στη βιομηχανία κοπής μετάλλων. Σε αντίθεση με το CO2, η τεχνολογία Ινών χρησιμοποιεί ένα στερεό μέσο ενίσχυσης και όχι  ένα αέριο ή υγρό. Ο "σπόρος λέιζερ" παράγει τη δέσμη λέιζερ, η οποία στη συνέχεια ενισχύεται μέσα σε μία γυάλινη ίνα. Με ένα μήκος κύματος μόνο 1.064 μm το λέιζερ ινών παράγει ένα εξαιρετικά μικρό μέγεθος κηλίδας (έως και 100 φορές μικρότερη σε σύγκριση με το CO2, που το καθιστά ιδανικό για την κοπή ανακλαστικών μεταλλικών υλικών. Αυτό είναι ένα από τα κύρια πλεονεκτήματα των λέιζερ Ινών, σε σύγκριση με τα λέιζερ CO2.[8]

Μέθοδοι[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Υπάρχουν πολλές διαφορετικές μέθοδοι στην κοπή με λέιζερ. Οι διάφορετικές αυτές μέθοδοι χρησιμοποιούνται για την κοπή διαφορετικών υλικών. Μερικές από τις μεθόδους είναι η εξάτμιση, η τήξη και το φύσημα, τήξη  φύσημα και κάψιμο, σπάσιμο λόγω θερμικής καταπόνησης, κρύα κοπή και burning stabilized laser cutting.

Κοπή εξάτμισης
Στην κοπή εξάτμισης η εστιασμένη ακτίνα θερμαίνει την επιφάνεια του υλικού μέχρι το σημείο βρασμού και δημιουργεί μια οπή. Η οπή οδηγεί σε μια απότομη αύξηση της απορροφητικότητας  βαθαίνοντας γρήγορα την οπή. Καθώς η οπή βαθαίνει και το υλικό βράζει, ο ατμός που παράγεται διαβρώνει το λιωμένο τοίχωμα εκτίνασσοντας το λιωμένο υλικό και διευρύνοντας περαιτέρω την οπή. Συνήθως με αυτή τη μέθοδο κόβονται μη τηκόμενα υλικά, όπως το ξύλο, ο άνθρακας και θερμοσκληρυνόμενα πλαστικά.
  Τήξη και  φύσημα
Η κοπή τήξης και φυσήματος  χρησιμοποιεί αέριο υψηλής πίεσης  για να απομακρύνει το λιωμένο υλικό από την περιοχή κοπής, μειώνοντας σε μεγάλο βαθμό την απαίτηση ισχύος. Πρώτα το υλικό θερμαίνεται μέχρι το σημείο τήξης και  στη συνέχεια, ένα jet αερίων φυσάει το λιωμένο υλικό από τη σχισμή κοπής αποφεύγοντας την ανάγκη να αυξηθεί παραπάνω  η θερμοκρασία του υλικού. Υλικά που κόβονται με αυτή τη διαδικασία είναι συνήθως τα μέταλλα.
Ράγισμα Θερμικής καταπόνησης
Τα εύθραυστα υλικά είναι ιδιαίτερα ευαίσθητα στα θερμικά κατάγματα, ένα χαρακτηριστικό που το εκμεταλλεύομαστε στην κοπή θερμικής καταπόνησης. Μια δέσμη εστιάζεται στην επιφάνεια προκαλώντας τοπική θέρμανση και θερμική διαστολή. Αυτό οδηγεί σε μια ρωγμή που μπορεί στη συνέχεια να καθοδηγείται από τη μετακίνηση της δέσμης. Η ρωγμή μπορεί να μετακινηθεί με ταχύτητα της τάξης των m/s. Συνήθως χρησιμοποιείται στην κοπή του γυαλιού.
Κοπή Stealth φετών (wafers) πυριτίου
Ο διαχωρισμός των chips των  μικροηλεκτρονικών όπως προετοιμάζονται για την κατασκευή ημιαγωγών συσκευών  πυριτίου, μπορεί να πραγματοποιηθεί με ένα παλόμενο λέιζερ Nd:YAG, το μήκος κύματος του οποίου (1064 nm) είναι καλά προσαρμοσμένο με το ηλεκτρονικό  χάσμα ζώνης του πυριτίου (1,11 eV ή 1117 nm).
Κοπή Αντίδρασης
Ονομάζεται επίσης "burning stabilized laser gas cutting", "κοπή φλόγας". Η κοπή αντίδρασης είναι σαν την κοπή με οξυγόνο, αλλά με μια ακτίνα λέιζερ ως πηγή ανάφλεξης. Ως επί το πλείστον χρησιμοποιείται για την κοπή ανθρακούχου χάλυβα πάχους πάνω από 1 mm. Αυτή η μέθοδος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να κόψει πολύ παχιά φύλλα χάλυβα με λέιζερ σχετικά μικρής ισχύος .

Ανοχές και φινίρισμα επιφάνειας [Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Οι νέοι κόπτες λέιζερ έχουν ακρίβεια προσδιορισμού θέσης της τάξης των 10 μικρομέτρων και επαναληψιμότητα των 5 μικρομέτρων.

Η συνηθισμένη   τραχύτητα  της επιφάνειας κοπής Rz αυξάνει με το πάχος του φύλλου, αλλά μειώνεται με την αύξηση της ισχύος του λέιζερ και της ταχύτητας κοπής. Κατά την κοπή χάλυβα χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα με το λέιζερ ισχύος 800 W,  η συνηθισμένη τραχύτητας Rz είναι 10 μm για το φύλλο πάχους 1 mm, 20 µm για 3 mm και 25 µm για 6 mm. Ο τύπος που δίνει την τραχύτητα είναι: , όπου: το πάχος του φύλλου χάλυβα σε mm, η ισχύς του λέιζερ σε kW (μερικοί νέοι κόπτες λέιζερ έχουν ισχύ 4 kW ή περισσότερο.) και η ταχύτητα κοπής σε μέτρα ανά λεπτό.

Αυτή η διαδικασία είναι σε θέση να διατηρεί πολύ στενές ανοχές, συχνά μέσα στο 0,001 της ίντσας (0.025 mm). Η γεωμετρία του τεμαχίου και η μηχανική ακρίβεια της μηχανής επηρεάζουν σημαντικά τις ανοχές. Το τυπικό φινίρισμα επιφάνειας που προκύπτει από την ακτίνα λέιζερ κοπής μπορεί να κυμαίνεται από 125 έως 250 μικρο-ίντσες (0,003 mm 0,006 mm).

Διαμορφώσεις μηχανών[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Κεφαλή λέιζερ flying optics

Γενικά, υπάρχουν τρεις διαφορετικές διαμορφώσεις των βιομηχανικών  μηχανών κοπής με λέιζερ:

  • οι  μηχανές κινούμενου υλικού
  • οι υβριδικές και τα
  • συστήματα ιπτάμενων οπτικών (flying optics).

Αυτά διαφέρουν στον τρόπο που κινείται η ακτίνα λέιζερ πάνω από το υλικό που θα κοπεί ή θα κατεργαστεί. Οι άξονες  κίνησης συνήθως χαρακτηρίζονται σαν X και Y άξονες. Αν η κεφαλή κοπής μπορεί να κινείται, χαρακτηρίζεται σαν άξονας Z.

Τα λέιζερ  κινούμενου υλικού έχουν μια σταθερή κεφαλή κοπής και  μετακινούν το υλικό από κάτω. Αυτή η μέθοδος παρέχει μια σταθερή απόσταση της γεννήτριας λέιζερ από το κομμάτι αλλά και μόνο ένα σημείο, από το οποίο χρειάζεται να απομακρύνεται το υλικό κοπής. Απαιτεί λιγότερα οπτικά, αλλά απαιτεί τη μετακίνηση του προς κατεργασία κομματιού. Αυτό το στυλ μηχανής  χρειάζεται τα λιγότερα οπτικά για τη καθοδήγηση της ακτίνας, αλλά τείνει να είναι το πιο αργό.

Τα υβριδικά λέιζερ έχουν ένα τραπέζι που κινείται σε έναν άξονα (συνήθως τον άξονα Χ), ενώ η κεφαλή λέιζερ μετακινείται κατά μήκος του μικρότερου (Υ) άξονα. Αυτό οδηγεί σε μια πιο σταθερή διαδρομή των ακτίνων  απότι μια μηχανή ιπτάμενων  οπτικών (που θα δούμε παρακάτω) και έχει σαν αποτέλεσμα πιο απλά συστήματα οπτικών καθοδήγησης της δέσμης. Αυτή η απλότητα των οπτικών συστημάτων, μπορεί να οδηγήσει σε μειωμένη απώλεια ισχύος στο σύστημα μετάδοσης της δέσμης και μεγαλύτερη απόδοση ανά watt από τα συστήματα ιπτάμενων οπτικών.

Τα  λέιζερ  ιπτάμενων οπτικών ( Flying optics) χρησιμοποιούν  σταθερό τραπέζι, ενώ η κεφαλή κοπής (με τη δέσμη λέιζερ) κινείται πάνω από το κατεργαζόμενο  κομμάτι  και στις δύο οριζόντιες διαστάσεις. Επειδή  το κομμάτι που υφίσταται την κατεργασία δεν κινείται κατά τη διάρκεια της επεξεργασίας, συχνά δεν απαιτείται στερέωση του τεμαχίου. Η κινούμενη μάζα είναι σταθερή, οπότε δυναμική του δεν επηρεάζεται από το διαφορετικά μεγέθη των κατεργαζόμενων τεμαχίων. Οι μηχανές ιπτάμενων οπτικών είναι οι πιο γρήγορες, πράγμα που είναι πλεονέκτημα όταν κόβουμε λεπτά τεμάχια.

Οι μηχανές ιπτάμενων οπτικών πρέπει να χρησιμοποιούν κάποια μέθοδο που να παίρνει υπόψη το μεταβαλλόμενο μήκος της δέσμης κατά την κοπή κοντινού πεδίου  (κοντά στο αντηχείο) και την  κοπή μακρινού πεδίου (μακριά από το αντηχείο). Συνηθισμένες μέθοδοι για τον έλεγχο αυτό περιλαμβάνουν ευθυγράμμιση, οπτικά προσαρμογής  ή τη χρήση ενός  άξονα σταθερού μήκους δέσμης.

Οι μηχανές  πέντε και έξι άξονων  επιτρέπουν την κοπή διαμορφωμένων κομματιών. Επιπλέον υπάρχουν διάφορες μέθοδοι προσανατολισμού της δέσμης του λέιζερ σε ένα  διαμορφωμένο κομμάτι, διατηρώντας τη σωστή απόσταση εστίασης, την σωστή απόσταση του ακροφυσίου κ.λ.π.

Pulsing[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Τα παλμικά λέιζερ, τα οποία παρέχουν μία υψηλής ισχύος ριπή ενέργειας για ένα σύντομο χρονικό διάστημα, είναι πολύ αποτελεσματικά σε ορισμένες διαδικασίες κοπής με λέιζερ, ειδικά για τη διάτρηση  ή όταν χρειάζονται πολύ μικρές τρύπες ή πολύ χαμηλές ταχύτητες κοπής. Σε αυτές τις περιπτώσεις εάν χρησιμοποιούνταν μια σταθερή δέσμη λέιζερ, η θερμοκρασία  θα μπορούσε να φτάσει το σημείο τήξης ολόκληρου του κομματιού που κόβεται.

Τα περισσότερα βιομηχανικά λέιζερ έχουν τη δυνατότητα είτε της παραγωγής παλμών, είτε της συνεχούς κοπής CW (Continuous Wave), κάτω από τον έλεγχο ενός προγράμματος αριθμητικού ελέγχου NC (numerical control).

Τα  λέιζερ διπλών παλμών χρησιμοποιούν μια σειρά ζευγών παλμών  για να βελτιώσουν την  αφαίρεση υλικού και την ποιότητα των οπών. Ουσιαστικά, ο πρώτος παλμός αφαιρεί υλικό από την επιφάνεια και ο δεύτερος εμποδίζει τον εκτιναζόμενο υλικό να προσκολληθεί  στα πλευρά της οπής ή της εγκοπής.

Κατανάλωση ισχύος[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Το κύριο μειονέκτημα της κοπής με λέιζερ είναι η υψηλή κατανάλωση ισχύος. Η απόδοση των βιομηχανικών λέιζερ κυμαίνεται από 5% έως 45%.[9] Η κατανάλωση ισχύος και η απόδοση ενός συγκεκριμένου λέιζερ ποικίλλουν ανάλογα με τη ισχύ εξόδου και τις παραμέτρους λειτουργίας. Εξαρτώνται από τον τύπο του laser και το πόσο καλά το λέιζερ ταιριάζει με την πραγματοποιούμενη εργασία. Η απαιτούμενη ισχύς για μία κοπή με λέιζερ, γνωστή σαν είσοδος θερμότητας, εξαρτάται από τον τύπο του υλικού, το πάχος, τη διαδικασία (αντιδραστική/αδρανής) που χρησιμοποιείται και την επιθυμητή ταχύτητα κοπής.

Απαιτούμενη ισχύς για διάφορα υλικά σε διάφορα πάχη, χρησιμοποιώντας ένα λέιζερ CO2  [watt][10]
Υλικό Πάχος υλικού
0,51 mm 1,0 mm 2,0 mm 3,2 mm 6,4 mm
Ανοξείδωτος χάλυβας 1000 1000 1000 1500 2500
Αλουμινίο 1000 1000 1000 3800 10000
  Ανθρακούχος χάλυβας 400 500
Τιτάνιο 250 210 210 -
Κοντραπλακέ - - 650
Βόριο/εποξικό - 3000

Παραγωγή και ταχύτητες κοπής[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Η μέγιστη ταχύτητα κοπής (ταχύτητα παραγωγής) περιορίζεται από διάφορους παράγοντες, όπως η ισχύς του λέιζερ, το πάχος του υλικού, τύπος διαδικασίας (αντιδραστική ή αδρανής) και από τις ιδιότητες των υλικών. Συνηθισμένα βιομηχανικά συστημάτα (≥1 kW) κόβουν χάλυβα άνθρακα  με πάχη 0.51 – 13 mm. Ένα λέιζερ μπορεί να είναι μέχρι και τριάντα φορές ταχύτερο από το συνηθισμένο πριόνισμα.[11]

Ταχύτητες κοπής, χρησιμοποιώντας ένα λέιζερ CO2 [cm/λεπτό]
Υλικό κομματιών προς κατεργασία   Πάχος υλικού
0,51 mm 1,0 mm 2,0 mm 3,2 mm 6,4 mm 13 mm
Ανοξείδωτος χάλυβας 42,3 23,28 13,76 7,83 3,4 0,76
Αλουμινίου 33,87 14,82 6,35 4,23 1,69 1,27
Ανθρακούχος χάλυβας 8,89 7,83 6,35 4,23 2,1
Τιτάνιο 12,7 12,7 4,23 3,4 2,5 1,7
Κοντραπλακέ - - 7,62 1,9
Βόριο / εποξικό - 2,5 2,5 1,1

Δείτε επίσης[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

  • 3D εκτύπωση
  • Laser ablation
  • Λέιζερ μετατροπή
  • Τρύπημα με λέιζερ
  • Χάραξη με λέιζερ
  • Κατασκευές με χρήση Ακτίνας λέιζερ
  • Lasersaur
  • Κατάλογος με άρθρα λέιζερ
  • Κοπή πλάσματος
  • Κοπή με jet ύδατος

Παραπομπές[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

  1. Oberg, p. 1447.
  2. Bromberg 1991, σελ. 202
  3. The early days of laser cutting, par P. A. Hilton, 11th Nordic Conference in Laser Processing of Materials, Lappeenranta, Finland, August 20–22, 2007, http://www.twi-global.com/technical-knowledge/published-papers/the-early-days-of-laser-cutting-august-2007
  4. CHEO, P. K. "Chapter 2: CO2 Lasers." UC Berkeley. UC Berkeley, n.d. Web. 14 Jan. 2015.
  5. Todd, p. 185.
  6. Todd, p. 188.
  7. Todd, p. 186.
  8. Fox, Daniel. «How Fiber Laser Technology Compares to CO2». Boss Laser. Ray Allen. Ανακτήθηκε στις 14 July 2014. 
  9. http://www.laserline.de/tl_files/Laserline/downloads/broschueren/en/Laserline_Image_high_power_diode_laser.pdf - Page 4:"High electrical/optical efficiency of up to 45%"
  10. Todd, Allen & Alting 1994, σελ. 188.
  11. «Laser Cutting». Laserage (στα Αγγλικά). Ανακτήθηκε στις 2016-08-23. 

Βιβλιογραφία[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]


Στο λήμμα αυτό έχει ενσωματωθεί κείμενο από το λήμμα Laser cutting της Αγγλικής Βικιπαίδειας, η οποία διανέμεται υπό την GNU FDL και την CC-BY-SA 3.0. (ιστορικό/συντάκτες).