Lasersko rezanje je napredna proizvodna tehnologija, ki uporablja visoko{0}}moč-laserske žarke v povezavi s CNC opremo za izvajanje brez{2}}kontaktne obdelave materiala. Tehnologija sega v leto 1965, ko je bil prvi laserski rezalni stroj uporabljen za diamantno vrtanje, pri čemer je Združeno kraljestvo leta 1967 doseglo prvo lasersko{5}}rezovanje kovin s kisikom. V sedemdesetih letih prejšnjega stoletja je tehnologija laserskega rezanja začela prodirati v letalski in vesoljski sektor in po široki uporabi CO₂ laserjev v osemdesetih letih 20. stoletja je postopoma izpodrinil konvencionalne postopke rezanja s plazmo.
Kot metodo termičnega rezanja se lasersko rezanje odlikuje z vrhunsko kakovostjo rezanja, visoko učinkovitostjo in izjemno prilagodljivostjo, ki omogoča proizvodnjo v razponu od eno-delov po meri do -serijske proizvodnje.
Načela delovanja
1.1 Generiranje laserja in značilnosti žarka
Laser (ojačanje svetlobe s stimulirano emisijo sevanja) proizvaja visoko koherenten, monokromatski žarek s stimulirano emisijo. Laserski sistem je sestavljen iz treh osnovnih komponent: aktivnega medija (trdnega, tekočega ali plinastega), vira energije (črpalnega mehanizma) in optičnega resonatorja. Ko je aktivni medij pod napetostjo, oddaja fotone; resonator odbija te fotone naprej in nazaj skozi medij, pri čemer ojača in poravna svetlobne valove, da na koncu ustvari laserski žarek z visoko-energijsko-gostoto.
Laserski žarki se od običajne svetlobe razlikujejo v več kritičnih vidikih: visoka intenzivnost, izjemno ozko frekvenčno območje (monokromatičnost), ostra kolimacija in visoka koherenca.
1.2 Fizični rezalni mehanizem
Postopek laserskega rezanja vključuje dve istočasni operaciji:
Segrevanje materiala in fazna transformacija: fokusiran laserski žarek-moči-obseva površino obdelovanca, kar povzroči, da obsevano območje doživi hitro zvišanje temperature, hitro taljenje, uparjanje, ablacijo ali vžig materiala.
Izmet taline: Visok{0}}pomožni plin, ki je koaksialen z žarkom, odpihne staljeni material z zareze in tako doseže ločevanje materiala. Ta plinski tok hkrati ščiti fokusirano optiko pred kontaminacijo s hlapi in brizganjem.
1.3 Parametri natančnosti in procesa
Lasersko rezanje dosega dimenzijsko natančnost ±0,05 mm, širino rezov 0,10–0,20 mm in hrapavost površine na desetine mikronov. Ključni parametri, ki vplivajo na kakovost reza, vključujejo:
Laserska moč in gostota moči: Določite dosegljivo debelino materiala in hitrost rezanja
Položaj žarišča žarka: vpliva na širino in navpičnost zareza
Vrsta in tlak pomožnega plina: narekuje učinkovitost izmeta taline
Premer šobe: običajno znaša od 0,8 mm do 3 mm, izbrano glede na material in debelino
Treba je omeniti, da imajo zelo odsevni materiali, kot sta baker in aluminij, izjemno nizke stopnje absorpcije za določene laserske valovne dolžine, kar predstavlja velike izzive pri obdelavi.
Primarne klasifikacije procesov in tehnične značilnosti
Postopki laserskega rezanja so glede na mehanizme odstranjevanja materiala razvrščeni v štiri glavne vrste:
2.1 Lasersko vaporizacijsko rezanje
Laserski žarek z visoko-energijsko-gostoto segreje obdelovanec, hitro doseže vrelišče materiala in povzroči neposredno uparjanje. Visok{3}}hitrost izmeta hlapov hkrati tvori zarezo.
Power density requirement: Typically >10⁸ W/cm²
Veljavni materiali: Izjemno tanke kovine in nekovinski materiali (papir, blago, les, plastika, guma itd.)
Značilnosti: visoka poraba energije; primeren za aplikacije, ki zahtevajo izogibanje staljenim ostankom
2.2 Lasersko talilno rezanje
Lasersko segrevanje stopi material, ne{0}}pomožni plin, ki ne oksidira (Ar, He, N₂ itd.), pa izrine staljeno kovino z visokim pritiskom, da nastane rez.
Energetska učinkovitost: zahteva samo 1/10 energije rezanja z uparjanjem
Veljavni materiali: nerjavno jeklo, titan, aluminij in njihove zlitine-materiali, odporni na oksidacijo ali reaktivne kovine
Prednost postopka: ustvari rezane robove-brez oksidov z visoko kakovostjo robov
2.3 Lasersko kisikovo rezanje (plamensko rezanje)
Podobno kot pri rezanju z oksiacetilenom ta postopek uporablja laser kot vir toplote za predgretje in kisik kot rezalni plin. Kisik eksotermno reagira s kovino, hkrati pa izpihuje staljene okside.
Energetska učinkovitost: zahteva le 1/2 energije taljenja rezanja; hitrost rezanja znatno presega tako uparjanje kot rezanje s taljenjem
Uporabni materiali: ogljikovo jeklo, titanovo jeklo in toplotno{0}}obdelana jekla-kovine, dovzetne za oksidacijo
Omejitve postopka: širši rez, večje toplotno-območje, dovzetnost za vžig vogalov in relativno slabša kakovost robov
2.4 Lasersko piskanje in nadzorovano lomljenje
Lasersko črkanje uporablja laser z visoko-energijsko-gostoto za skeniranje površine krhkih materialov, pri čemer izhlapi plitek utor s toplotnim izhlapevanjem, čemur sledi mehanska sila za zlom materiala vzdolž utora. Nadzorovani lom izkorišča strm toplotni gradient, ki ga ustvari lasersko žlebljenje, za ustvarjanje lokalizirane toplotne napetosti v krhkem materialu, kar povzroči ločevanje vzdolž utora.
Uporabni materiali: keramika, polprevodniki in drugi krhki materiali
Tipični laserji: laserji s preklopom Q-, CO₂ laserji
Domene aplikacij in vrednost industrije
Tehnologija laserskega rezanja je prežela številne kritične industrijske sektorje:
Avtomobilska proizvodnja: okvirji karoserije, komponente zračnih blazin, notranje plošče
Letalstvo: Komponente motorja, kanali iz titanove zlitine, ojačitve trupa
Proizvodnja elektronike: precizne mikro-komponente, vezja, priključki
Medicinski pripomočki: koronarni stenti, kirurški instrumenti, mikrofluidne naprave
Izdelava pločevine: postal je prevladujoč proces, ki je izpodrinil konvencionalne metode
Zaključek
Lasersko rezanje kot temeljna proizvodna tehnologija še naprej poganja industrijsko preobrazbo s kombiniranimi prednostmi visoke natančnosti, visoke učinkovitosti in izjemne prilagodljivosti. Od rezanja z uparjanjem do rezanja s-kisikom in od CO₂ laserjev do laserjev z vlakni je stalen tehnološki razvoj razširil meje uporabe laserskega rezanja, kar omogoča visoko{2}}kakovostno in učinkovito obdelavo v širšem razponu materialov in debelin.
