Rezanje laserom

Из Википедије, слободне енциклопедије
Иди на навигацију Иди на претрагу
Poređenje CAD (engl. Computer Aid Design) tehnologije i nerđajući čelik rezan laserom (dole)

Rezanje laserom je tehnologija koja koristi laser za rezanje materijala, i uglavnom se koristi za industrijsku primenu, ali sve češće se koristi i u školama, malim preduzećima i kod hobista. Rezanje laserom radi tako da se direktno kontroliše izlazna snaga lasera, delujući obično kompjuterom. Materijal se ili topi, ili izgara, ili isparava,[1] ili ga oduva mlaz vazduha pod pritiskom, ostavljajući visoko kvalitetne rubove reza. Ne režu se samo limovi, nego i profili i cevi.[2] Mašinska obrada laserskim snopom je najpogodnija za lomljive materijale niske prodljivosti, mada se može koristiti na većini materijala.[3]

Vrste lasera[уреди]

Kod rezanja laserom koriste se 3 vrste lasera.[4] CO2 laser je pogodan za rezanje, bušenje i graviranje. Nd laser i Nd:YAG laseri su slični laseri,[5] a razlikuju se po primeni. Nd laser se koristi za bušenje, gde je potrebna velika snaga, ali s malo ponavljanja. Nd:YAG laser se koristi za velike snage kod bušenja i graviranja, s velikim brojem ponavljanja.[6] Svi ovi laseri se mogu koristiti i kod zavarivanja.[7]

CO2 laseri obično za lasersku pumpu koriste prolaz električne struje kroz mešavinu gasa (jednosmerna struja) ili korištenjem radio frekventne energije, koja je novija metoda. Budući da pobuda sa istosmernom strujom, zahteva da se elektrode nalaze unutar optičkog rezonatora, može doći do trošenja elektroda i do stvaranja naslaga materijala s elektroda na staklu i ogledalima. Zato se i počelo sa korištenjem radio frekvencije, da se izbjegnu ti problemi.

CO2 laseri se koriste u industriji za rezanje mnogih materijala: meki čelik, aluminijum, nerđajući čelik, titanijum, papir, vosak, drvo i tkanine. YAG laseri se prvenstveno koriste za rezanje i označavanje metala i keramike.

Rezanje lasera na komadu lima

Osim izvora snage, za karakteristike rada može uticati i način mešanja i protoka gasa unutar optičkog rezonatora. Kod brzih aksijalnih protoka, mešavina uglen-dioksida, helijuma i azota, kruži sa velikim brzinama, pogonjena turbinom ili ventilatorom. Kod poprečnog toka, mešavina vazduha se meša s manjim brzinama i za to treba manji ventilator. Kod novijih rešenja, imamo difuziono hlađenje sa statičkim poljem izvana, tako da se štedi na održavanju i zameni delova.

Stvaranje laserskih zraka i vanjska optika (uključujući i fokusne leće), zahtevaju hlađenje. Zavisno od veličine i rasporeda, ogromna količina toplote treba bite odvedena sa rashladnim sredstvom. Najbolje rešenje je voda, u zatvorenom rashladnom sistemu.

Laserski medijum Primena
CO2 Bušenje

Rezanje/označavanje, graviranje

Nd Visoko energetski impulsi

Mala brzina ponavljanja (1 kHz)

Bušenje

Nd-YAG Vrlo visoki energetski impulsi

Bušenje, graviranje, podešavanje

Laserski mikromlaz vode[уреди]

Industrijsko rezanje laserom čelika na CNC alatnom stroju

Laserski mikromlaz vode je vrsta lasera, kod kojeg impulsni laserski zrak deluje zajedno sa mlazom vode, pod malim pritiskom. Prednost je što mlaz vode odstranjuje ostatke materijala nakon rezanja, ima veliku brzinu rezanja pločica, paralelan rez i mogućnost rezanja u više smerova.[8]

Postupak rezanja[уреди]

Kod rezanja plazmom, obično je debljina laserskog zraka manja od 0,3 mm, a moguće je ostvariti debljinu rezanja i manju od 0,1 mm. Kod rezanja treba napomenuti da prvo treba izbušiti rupu kroz materijal, a za to se koristi velika snaga lasera, i traje obično 5 do 15 sekundi, za 14 mm debljine lima od nerđajućeg čelika.

Laserski izlazni zrak je paralelan i debljine od 1,5 do 12,5 mm, a zatim se fokusira sa lećama i ogledalima na veoma malu tačku, ponekad do 0,025 mm, da se stvori laserski zrak velikog intenziteta. Da bi se ostvarila mala površinska hrapavost na materijalu, laserski zrak je potrebno polarizirati.[9]

Rezanje isparavanjem[уреди]

Kod rezanja isparavanjem, fokusiran zrak gre materijal do tačke isparavanja, stvarajući malo suženje. To suženje postaje sve dublje, budući se materijal koji isparava odstranjuje iduvavanje. Ovaj metod se koristi za drvo, ugljenik i termoplastike.

Topljenje i izduvavanje[уреди]

Ovaj metod koristi gas pod velikim pritiskom za izduvavanje otopljenog materijala, sa mesta rezanja, znatno smanjujući potrebnu snagu za laser. Tom metodom se obično režu metali.

Toplotno pucanje[уреди]

Staklo je veoma osetljivo na toplotne lomove, pa se laserski zrak fokusira na površinu, stvarajući toplotu na maloj površini, sve dok se ne pojavi lom. Zatim se lom vodi sa laserskim zrakom povećanom brzinom.

Odvajanje tankih pločica[уреди]

Odvajanje tankih pločica poluprovodnika se vrši sa Nd:YAG laserom, koji ima radnu talasnu dužinu 1064 nm, koja je prilagođena spektralnoj liniji silicijuma (1,11 eV ili 1117 nm).

Rezanje plamenom[уреди]

Taj postupak je sličan klasičnom gasnom rezanju sa kiseonikom i acetilenom, i obično se koristi za čelicne limove deblje od 1 mm. Mogu se rezati i vrlo debeli limovi, sa relativno malom snagom lasera.

Tolerancije i površinska obrada[уреди]

Nove generacije lasera imaju tačnost pozicioniranja i rezanja do 0,01 mm. Standardna površinska hrapovost se povećava sa debljinom lima, ali se smanjuje što je veća snaga lasera i brzina rezanja. Tako na primer, ako se reže sa laserom snage 800 W, standardna hrapavost površine Rz je za 1 mm lim 10 μm, za lim 3 mm je 20 μm, a za lim 6 mm je 25 μm. Može se koristiti formula:

Rz = 12,528 x(S0.542) x (P0,528) x (V0,322) [μm]

Gdje je S – debljina lima (mm), P – snaga lasera (kW) i V – brzina rezanja (m/min) [10]

Rezanje plazmom može održati veoma dobre tolerancije obrade, manje od 0,025 mm. Paralelnost površine nakon obrade radnog komada može biti između 0,003 do 0,006 mm.[7]

Rezanje plazmom sa kretanjem laserske glave

Postavke alatnog stroja[уреди]

Kod rezanja plazmom uglavnom postoje 3 postavke: kretanje radnog komada, mešano kretanje i kretanje laserske glave. Uobičajeno je da se glava za rezanje označava sa Z osom, dok su ostale ose radnog komada, X i Y osa.

Kod kretanja radnog komada, laserska glava za rezanje je nepomična. Takva postavka je jednostavna, ali je i rezanje plazmom najsporije. Kod mešanog kretanja, radni komad se kreće obično po dužoj X osi, dok se laserska glava kreće po kraćoj Y osi, pa daje brže rezanje. Kada se laserska glava samo kreće, dobivaju se najveće brzine rezanja, radni komad miruje i uglavnom nije potreno stezanje. Kod najnovijih generacija laserskog rezanja, moguće je održavati celo vreme istu udaljenost između laserske glave i radnog komada, što daje najbolje rezultate. [11]

Prednosti i nedostaci[уреди]

Prednost rezanja laserom, u odnosu na klačicno mehaničko rezanje, je pre svega u jednostavnijem stezanju radnog komada i smanjuje se promena strukture materijala radnog komada, jer kod mehaničkog rezanja, alat za rezanje i radni komad su u dodiru. Preciznost rezanja je bolja, budući se laserski zrak ne troši s vremenom. Smanjena je i deformacija radnog komada nakon rezanja, a rezanje laserom stvara i malu zonu uticaja topline (ZUT), gde dolazi do promene strukture materijala i mehaničkih svojstava. Neke materijale je gotovo nemoguće rezati na tradicionalni način.

Rezanje laserom u odnosu na rezanje plazmom daje veću preciznost i troši manje energije kada se režu limovi, ali rezanje plazmom omogućuje rezanje debljih limova. Novije generacije su vrlo blizu rezanju plazmom, što se tiče debljine lima, ali su i takve mašine skuplje.

Glavni nedostatak rezanja plazmom je velika potrošnja energije. Industrijski laseri imaju stupanj efikasnosti od 5 do 15%.

Količina unesene topline za različite materijale i debljine sa CO2 laserom (W)[12]
Materijal Debljina materijala (mm)
0,5 1 2 35 6
Nehrđajući čelik 1000 1000 1000 500 250
Aluminijum 1000 1000 1000 3800 10000
Meki čelik - 400 - 500 -
Titanijum 250 210 210 - -
Iverica - - - - 650
Bor/epoksi - - - 3000 -

Produktivnost[уреди]

Za standardne industrijske procese, kao što je snaga mašine 1 kW i rezanje limova od 1 do 2 mm, rezanje laserom može biti i do 30 puta brže, u odnosu na klasične mašine za rezanje.

Brzina rezanja za različite materijale i debljine sa CO2 laser [inch/min]
Materijal radnog komada Debljina materijala
0,02 0,04 0,08 0,125 0,25 0,5 inch
0,508 1,016 2,032 3,175 6,35 12,7 mm
Nerđajući čelik 1000 550 325 185 80 18
Aluminijum 800 350 150 100 40 30
Meki čelik - 210 185 150 100 50
Titanijum 300 300 100 80 60 40
Iverica - - - - 180 45
Bor/epoksi - - - 60 60 25

Istorijske činjenice[уреди]

Godine 1965. se počeo koristiti laser za bušenje dijamanta. Tu mašinu je napravio Zapadni istraživački centar elektirčnog inženjerstva.[13] Godine 1967. u Velikoj Britaniji se počeo koristiti kiseonik za pomoć kod rezanja metala.[14] U 1970-tim se uvodi lasersko rezanje za titanijum, u avionskoj industriji. U to vreme, CO2 laser se prilagodio za rezanje i nemetalnih materijala, kao što je tekstil. [15][16]

Vidi još[уреди]

Reference[уреди]

  1. ^ „Ruby laser treatment. DermNet NZ”. www.dermnetnz.org. Приступљено 1. 3. 2016. 
  2. ^ Oberg, p. 1447.
  3. ^ Dubey, Avanish (мај 2008). „Laser beam machining—A review”. International Journal of Machine Tools and Manufacture. 48: 609—628. doi:10.1016/j.ijmachtools.2007.10.017. 
  4. ^ „Laser Beam Machining”. www.mechnol.com. 10. 2. 2016. Приступљено 17. 2. 2016. [мртва веза]
  5. ^ „Solid Medium Lasers”. hyperphysics.phy-astr.gsu.edu. Приступљено 1. 3. 2016. 
  6. ^ Paschotta, Dr. Rüdiger. „Encyclopedia of Laser Physics and Technology - neodymium-doped gain media, laser crystals, Nd:YAG, Nd:YVO4, Nd:YLF, Nd:glass”. www.rp-photonics.com. Приступљено 1. 3. 2016. 
  7. 7,0 7,1 Todd, p. 186.
  8. ^ Perrottet, D et al.,"Heat damage-free Laser-Microjet cutting achieves highest die fracture strength", Photon Processing in Microelectronics and Photonics IV, edited by J. Fieret, et al., Proc. of SPIE Vol. 5713 (SPIE, Bellingham, WA, 2005)
  9. ^ Todd, p. 188.
  10. ^ Research on surface roughness by laser cut by Miroslav Radovanovic and Predrag Dašić
  11. ^ Caristan 2004.
  12. ^ Todd, Allen & Alting 1994, стр. 188.
  13. ^ Bromberg 1991, стр. 202.
  14. ^ 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
  15. ^ Bromberg 1991, стр. 204.
  16. ^ CHEO, P. K. "Chapter 2: Lasers." UC Berkeley. UC Berkeley, n.d. Web. 14 Jan. 2015.

Literatura[уреди]

Spoljašnje veze[уреди]