L'intruduzioni di u taglio laser

U taglio laser hè una tecnulugia chì usa un laser per vaporizà i materiali, risultatu in un tagliu.Mentre hè tipicamente utilizatu per l'applicazioni di fabricazione industriale, hè avà utilizatu da scole, picculi imprese, architettura è hobbyists.U travagliu di taglio laser dirigendu a pruduzzioni di un laser d'alta putenza più cumunimenti attraversu l'ottica.L'ottica laser è u CNC (cuntrollu numericu di l'urdinatore) sò utilizati per dirige u fasciu laser à u materiale.Un laser cummerciale per taglià materiali usa un sistema di cuntrollu di muvimentu per seguità un codice CNC o G di u mudellu per esse tagliatu nantu à u materiale.U fasciu laser focalizatu hè direttu à u materiale, chì poi si fonde, brusgia, vaporizza, o hè sbattutu da un jet di gas,[1] lascendu un bordu cù una superficia di alta qualità.

Storia
In u 1965, a prima macchina di taglio laser di pruduzzione hè stata aduprata per perforare i buchi in fustelle di diamanti.Sta macchina hè stata fatta da u Western Electric Engineering Research Center.[3]In u 1967, i britannichi pionieri di taglio di jet d'ossigenu assistitu laser per metalli.[4]À l'iniziu di l'anni 1970, sta tecnulugia hè stata messa in pruduzzione per cutà u titaniu per l'applicazioni aerospaziali.À u listessu tempu, i laser CO2 sò stati adattati per cutà i non-metalli, cum'è i tessili, perchè, à l'epica, i laser CO2 ùn eranu abbastanza putenti per superà a conduttività termale di metalli.[5]

Prucessu

Taglio laser industriale di l'acciaio cù istruzioni di taglio programate attraversu l'interfaccia CNC
U fasciu laser hè generalmente focu cù una lente d'alta qualità nantu à a zona di travagliu.A qualità di u fasciu hà un impattu direttu nantu à a dimensione di u locu focu.A parte più stretta di u fasciu focu hè generalmente menu di 0,0125 inch (0,32 mm) di diametru.Sicondu u grossu di u materiale, sò pussibuli larghezza di kerf quant'è 0,004 inches (0,10 mm).[6]Per pudè cumincià à cutà da un locu altru ch'è u bordu, un pierce hè fattu prima di ogni cut.U piercing generalmente implica un fasciu laser pulsatu d'alta putenza chì lentamente face un pirtusu in u materiale, pigghiannu circa 5-15 seconde per l'acciaio inox di 0,5-inch-spessu (13 mm), per esempiu.

I raghji paralleli di luce coherente da a fonte laser sò spessu in u intervallu trà 0,06-0,08 inches (1,5-2,0 mm) di diametru.Stu fasciu hè nurmalmente focu è intensificatu da una lente o un specchiu à un locu assai chjucu di circa 0,001 inch (0,025 mm) per creà un fasciu laser assai intensu.Per ottene a finitura più liscia pussibule durante u tagliu di contorni, a direzzione di polarizazione di u fasciu deve esse rotata mentre passa intornu à a periferia di una pezza cuntornata.Per u tagliu di foglia, a lunghezza focale hè di solitu 1,5-3 inch (38-76 mm).[7]

I vantaghji di u taglio laser nantu à u tagliu meccanicu includenu un travagliu più faciule è una contaminazione ridutta di u pezzu di travagliu (perchè ùn ci hè micca un tagliu chì pò esse contaminatu da u materiale o contamina u materiale).A precisione pò esse megliu, postu chì u fasciu laser ùn porta micca durante u prucessu.Ci hè ancu una chance ridutta di deformazione di u materiale chì hè tagliatu, postu chì i sistemi laser anu una piccula zona affettata da u calore.[8]Certi materiali sò ancu assai difficiuli o impussibili di cutà per i mezi più tradiziunali.

U taglio laser per i metalli hà i vantaghji nantu à u taglio di plasma di esse più precisu [9] è aduprà menu energia quandu si taglia a lamiera;però, a maiò parte di i laser industriali ùn ponu micca taglià u più grossu di metalli chì u plasma pò.Macchine laser più recenti chì operanu à una putenza più altu (6000 watt, in cuntrastu cù i primi 1500 watt di taglio laser) si avvicinanu à e macchine di plasma in a so capacità di taglià materiali grossi, ma u costu di capitale di tali macchine hè assai più altu ch'è quellu di plasma. macchine di taglio capaci di taglià materiali grossi cum'è piastra d'acciaio.[10]

Tipi

Cutter laser CO2 4000 watt
Ci sò trè tippi principali di laser usatu in taglio laser.U laser CO2 hè adattatu per taglià, foratura è incisione.I laser di neodimiu (Nd) è di neodimiu ittriu-aluminiu-granata (Nd: YAG) sò identici in stile è sò diffirenti solu in l'applicazione.Nd hè utilizatu per l'annullamentu è induve hè necessariu una alta energia, ma una ripetizione bassa.U laser Nd:YAG hè utilizatu induve hè bisognu di una putenza assai alta è per noioso è incisione.I laser CO2 è Nd/Nd:YAG ponu esse utilizati per a saldatura.[11]

I laser CO2 sò cumunimenti "pumped" passendu un currente attraversu u mischju di gas (DC-excited) o utilizendu energia di freccia radio (RF-excited).U metudu RF hè più novu è hè diventatu più populari.Siccomu i disinni DC necessitanu elettrodi in a cavità, ponu scontru l'erosione di l'elettrodi è u placcamentu di u materiale di l'elettrodi in vetru è otticu.Siccomu i resonatori RF anu elettrodi esterni ùn sò micca propensi à quelli prublemi.I laser CO2 sò aduprati per u tagliu industriale di parechji materiali cumpresi titaniu, acciaio inox, azzaru dolce, aluminiu, plastica, legnu, legnu ingegneria, cera, tessuti è carta.I laser YAG sò principarmenti usati per taglià è scrive metalli è ceramiche.[12]

In più di a fonte di energia, u tipu di flussu di gasu pò ancu influenzà u rendiment.Varianti cumuni di laser CO2 includenu u flussu assiale veloce, u flussu assiale lento, u flussu trasversale è a lastra.In un risonatore di flussu assiale veloce, a mistura di diossidu di carbonu, eliu è nitrogenu hè circulata à alta velocità da una turbina o soffiante.I laser à flussu trasversali circulanu u mischju di gasu à una velocità più bassa, chì necessitanu un soffiu più simplice.Slab o diffusion cooled resonators hannu un campu di gas staticu chì ùn abbisogna micca pressurization o glassware, purtendu à risparmiu di sustituzione turbine è glassware.

U generatore di laser è l'ottica esterna (cumpresa a lente di focus) necessitanu di rinfrescante.Sicondu a dimensione di u sistema è a cunfigurazione, u calore residuale pò esse trasferitu da un refrigerante o direttamente à l'aria.L'acqua hè un refrigerante cumunimenti utilizatu, di solitu circulatu per un sistema chiller o di trasferimentu di calore.

laser microjet hè un laser guidatu à jet d'acqua in quale un fasciu laser pulsatu hè accoppiatu in un jet d'acqua à bassa pressione.Questu hè adupratu per eseguisce funzioni di taglio laser mentre utilizate u jet d'acqua per guidà u fasciu laser, cum'è una fibra ottica, attraversu a riflessione interna tutale.I vantaghji di questu hè chì l'acqua sguassate ancu i detriti è rinfriscà u materiale.Vantaggi supplementari nantu à u tagliu laser tradiziunale "secu" sò l'alta velocità di taglio, u taglio parallelu è u tagliu omnidirezionale.[13]

I laser in fibra sò un tipu di laser à u statu solidu chì cresce rapidamente in l'industria di taglio di metalli.A cuntrariu di CO2, a tecnulugia di Fibra utilizeghja un mediu di guadagnu solidu, in uppusizione à un gasu o liquidu.U "laser di semi" produce u fasciu laser è hè poi amplificatu in una fibra di vetru.Cù una lunghezza d'onda di solu 1064 nanometri, i laser di fibra producenu una dimensione di spot estremamente chjuca (finu à 100 volte più chjuca paragunatu à u CO2) chì u rende ideale per u tagliu di materiale metallicu riflettente.Questu hè unu di i vantaghji principali di Fibra cumparatu cù CO2.[14]

I benefici di a cutter laser in fibra include: -

Tempi di trasfurmazioni rapidi.
Riduzzione di cunsumu energeticu è fattura - per via di una efficienza più grande.
Affidabilità è prestazione più grande - senza ottiche per aghjustà o allineà è senza lampade per rimpiazzà.
Mantenimentu minimu.
A capacità di processà materiali altamente riflettenti cum'è u ramu è u ottone
A produtividade più alta - i costi operativi più bassi offrenu un ritornu più grande di u vostru investimentu.[15]

I metudi
Ci sò parechji metudi diffirenti in u taglio cù laser, cù sfarenti tippi usati per taglià diversi materiali.Arcuni di i metudi sò vaporization, melt and blow, melt blow and burn, cracking di stress termicu, scribing, taglio à friddu è brusgiatu taglio laser stabilizatu.

Taglio di vaporizzazione
In u tagliu di vaporizzazione, u fasciu focu riscalda a superficia di u materiale à u puntu di u focu è genera una serratura.U buccu di a serratura porta à un incrementu bruscu di l'absorptività chì approfondisce rapidamente u pirtusu.À mesure que le trou s'approfondit et que le matériau bouillonne, le vapeur généré érode les parois fondues en soufflant l'éjection et agrandissant encore le trou.U materiale chì ùn si fusione, cum'è u legnu, u carbone è i plastichi termoset sò generalmente tagliati da stu metudu.
Melt è soffia
A fusione è u soffiu o u tagliu di fusione usa gas d'alta pressione per soffià u materiale fusu da l'area di taglio, diminuendu assai u requisitu di putenza.Prima u materiale hè riscaldatu à u puntu di fusione, dopu un jet di gas soffia u materiale fusu fora di u kerf evitendu a necessità di elevà a temperatura di u materiale più in più.I materiali tagliati cù stu prucessu sò generalmente metalli.

Cracking di stress termicu
I materiali fragili sò particularmente sensibili à a frattura termale, una funzione sfruttata in u cracking di stress termicu.Un fasciu hè focu annantu à a superficia pruvucannu un riscaldamentu localizatu è espansione termale.Questu risultatu in una crepa chì pò esse guidata da u muvimentu di u fasciu.U crack pò esse spustatu in ordine di m/s.Hè di solitu usatu in taglio di vetru.

Cubetti furtivi di wafer di silicone
Ulteriori informazioni: Wafer dicing
A separazione di chips microelettronici cum'è preparatu in a fabricazione di dispositivi semiconduttori da wafers di siliciu pò esse realizatu da u cusì chjamatu prucessu di dicing stealth, chì opera cù un laser Nd:YAG pulsatu, a lunghezza d'onda di quale (1064 nm) hè ben adattata à l'elettronica. banda gap di siliciu (1,11 eV o 1117 nm).

Tagliu reattivu
Chjamatu ancu "taglio di gas laser stabilizzato ardente", "taglio di fiamma".U tagliu reattivu hè cum'è u tagliu di torch d'ossigenu ma cù un fasciu laser cum'è a fonte di ignizione.Adupratu principalmente per u tagliu di l'acciaio di carbone in spessori più di 1 mm.Stu prucessu pò ièssiri usatu a cutà piastri azzaru assai spessi cù putenza laser relativamente pocu.

Tolleranze è finitura di a superficia
I tagliatori laser anu una precisione di posizionamentu di 10 micrometri è ripetibilità di 5 micrometri.

A rugosità standard Rz aumenta cù u grossu di a foglia, ma diminuisce cù a putenza laser è a velocità di taglio.Quandu si taglia l'acciaio à pocu carbonu cù una putenza laser di 800 W, a rugosità standard Rz hè di 10 μm per un spessore di foglia di 1 mm, 20 μm per 3 mm, è 25 μm per 6 mm.

{\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}}}}
Dove: {\displaystyle S=}S= spessore di lamiera d'acciaio in mm;{\displaystyle P=}P = putenza laser in kW (alcuni cutters laser novi anu una putenza laser di 4 kW);{\displaystyle V=}V= velocità di taglio in metri per minutu.[16]

Stu prucessu hè capaci di mantene tolleranze abbastanza strette, spessu à 0,001 inch (0,025 mm).A geometria di a parte è a solidità meccanica di a macchina anu assai à fà cù e capacità di tolleranza.A finitura tipica di a superficia risultante da u tagliu di fasciu laser pò varià da 125 à 250 micro-inches (0,003 mm à 0,006 mm).[11]

Cunfigurazioni di a macchina

Laser à ottica volante à doppia pallet

Testa laser ottica volante
Ci sò generalmente trè cunfigurazioni diffirenti di macchine di taglio laser industriale: materiale in muvimentu, ibridi è sistemi ottici volanti.Quessi si riferiscenu à a manera chì u fasciu laser hè spustatu nantu à u materiale per esse tagliatu o processatu.Per tutti questi, l'assi di u muvimentu sò tipicamente designati assi X è Y.Se a testa di taglio pò esse cuntrullata, hè designata cum'è l'assi Z.

I laser di materiale in muvimentu anu un capu di tagliu stazionariu è move u materiale sottu.Stu metudu furnisce una distanza constante da u generatore laser à a pezza di travagliu è un puntu unicu da quale caccià l'effluent di taglio.Hè bisognu di menu ottica, ma esige u muvimentu di u travagliu.Questa macchina di stile tende à avè l'ottica di consegna di fasciu menu, ma tende ancu à esse a più lenta.

I laser ibridi furniscenu una tavola chì si move in un assi (di solitu l'assi X) è move a testa longu l'assi più curtu (Y).Questu risultatu in una lunghezza di via di spedizione di fasciu più custanti cà una macchina ottica volante è pò permette un sistema di consegna di fasciu più simplice.Questu pò risultatu in una perdita di putenza ridutta in u sistema di consegna è più capacità per watt di e macchine ottiche volanti.

I laser ottici volanti presentanu una tavola stazionaria è una testa di taglio (cù fasciu laser) chì si move nantu à a pezza di travagliu in e duie dimensioni horizontale.I cutters ottici volanti mantenenu u pezzu di travagliu fermu durante a trasfurmazioni è spessu ùn necessitanu micca di serratura di materiale.A massa in muvimentu hè custante, cusì a dinamica ùn hè micca affettata da a dimensione variata di u travagliu.E macchine ottiche volanti sò u tipu più veloce, chì hè vantaghju quandu si taglianu pezzi di travagliu più sottili.[17]

Macchine ottiche volanti duveranu aduprà qualchì metudu per piglià in contu a lunghezza di u fasciu cambiante da u campu vicinu (vicinu à resonator) tagliu à u campu luntanu (luntanu da resonator).I metudi cumuni per cuntrullà questu include a collimazione, l'ottica adattativa o l'usu di un assi di lunghezza di fasciu constantu.

Macchine à cinque è sei assi permettenu ancu di taglià pezzi formati.Inoltre, ci sò parechji metudi di orientà u fasciu laser à una pezza di travagliu in forma, mantenendu una distanza di focu curretta è un distaccu di ugello, etc.

Pulsendu
I laser pulsati chì furniscenu una splutazioni d'energia d'alta putenza per un cortu periudu sò assai efficaci in certi prucessi di taglio laser, in particulare per u piercing, o quandu sò necessarii buchi assai chjuchi o velocità di taglio assai bassu, postu chì se un fasciu laser custante hè stata utilizata, u calore puderia ghjunghje sin'à u puntu di funnu tuttu u pezzu esse tagliatu.

A maiò parte di i laser industriali anu a capacità di pulse o cut CW (onda cuntinuu) sottu u cuntrollu di u prugramma NC (cuntrollu numericu).

I laser doppiu impulsu utilizanu una seria di coppie di impulsi per migliurà a tarifa di rimozione di materiale è a qualità di u foru.Essenzialmente, u primu impulsu sguassate u materiale da a superficia è u sicondu impedisce à l'ejecta di aderisce à u latu di u pirtusu o cut.[18]