Lasersnijden: van eerste principes tot huidige ontwikkelingen

Abstract

Dit artikel geeft een overzicht van het onderwerp lasersnijden. Onderwerpen die worden behandeld zijn onder meer; Laser-materiaalinteracties, verschillende lasertypen, de technische en commerciële groei van lasersnijden en de stand van de techniek.

Eerste principes

Het meeste lasersnijden wordt uitgevoerd met behulp van CO2- of Nd: YAG-lasers. De algemene knipprincipes zijn vergelijkbaar voor beide soorten laserlicht, hoewel CO2-lasers de markt om redenen domineren, die later in de paper zullen worden besproken. Het basismechanisme van lasersnijden is uiterst eenvoudig en kan als volgt worden samengevat:

1. Een hoge intensiteitsbundel van infrarood licht wordt gegenereerd door een laser.

2. Deze straal wordt gefocusseerd op het oppervlak van het werkstuk door middel van een lens.

3. De gefocusseerde straal verwarmt het materiaal en vestigt een zeer gelokaliseerde smelt (in het algemeen kleiner dan 0,5 mm diameter) over de gehele diepte van het vel.

4. Het gesmolten materiaal wordt uit het gebied uitgestoten door een gasstroomstraal onder druk die coaxiaal met de laserstraal werkt zoals getoond in figuur 1. (NB. Met bepaalde materialen kan deze gasstraal het snijproces versnellen door zowel chemisch als fysiek werk te doen. Koolstofstaal of zacht staal worden meestal gesneden in een straal zuivere zuurstof.Het oxidatieproces geïnitieerd door de laserverwarming genereert zijn eigen warmte en dit draagt enorm bij aan de efficiëntie van het proces.)

5. Dit gelocaliseerde gebied van materiaalverwijdering wordt bewogen over het oppervlak van het vel en genereert zo een snede. Beweging wordt bereikt door manipulatie van de gefocusseerde laserspot (door CNC-spiegels) of door het mechanisch verplaatsen van het vel op een CNC X-Y-tafel. 'Hybride' systemen zijn ook beschikbaar wanneer het materiaal in één as wordt bewogen en de laserspot in de andere wordt verplaatst. Er zijn volledig robotsystemen beschikbaar voor het profileren van driedimensionale vormen. Nd: YAG-lasers kunnen gebruikmaken van optische vezels in plaats van spiegels, maar deze optie is niet beschikbaar voor de CO2-laser met langere golflengte.

  Figuur 1. Een schema van lasersnijden. De lensvatting of het mondstuk (of beide) kan van links naar rechts of in en uit het vlak van de schets worden aangepast. Dit maakt centralisatie van de gefocusseerde bundel met het mondstuk mogelijk. De verticale afstand tussen het mondstuk en de lens kan ook worden aangepast. Voordat we overgaan tot een meer gedetailleerde beschrijving van het snijproces, is het nu een goed moment om de voordelen van lasersnijden samen te vatten.

A. Het proces snijdt met hoge snelheid in vergelijking met andere profileermethoden. Een CO2-laser van 1500 W snijdt bijvoorbeeld 2 mm dik zacht staal bij 7,5 mmin-1. Dezelfde machine snijdt 5 mm dikke acrylplaat op ~ 12mmin-1.

B. In de meeste gevallen (bijvoorbeeld de twee hierboven gegeven voorbeelden) zullen de afgesneden componenten onmiddellijk na het snijden klaar zijn voor gebruik zonder enige daaropvolgende reinigingsbewerking.

C. De snijbreedte (snijbreedte) is extreem smal (meestal 0,1 tot 1,0 mm). Zeer gedetailleerd werk kan worden uitgevoerd zonder de beperkingen van een minimale interne straal opgelegd door freesmachines en vergelijkbare mechanische methoden.

D. Het proces kan volledig CNC-gestuurd worden. Dit in combinatie met het gebrek aan noodzaak voor complexe jigging-inrichtingen, betekent dat een verandering van taak van snijcomponent 'A' uit staal naar snijcomponent 'B' uit polymeer in seconden kan worden uitgevoerd. (Opmerking Nd: YAG-lasers kunnen de meeste kunststoffen niet snijden omdat ze transparant zijn voor Nd: YAG-laserlicht).

E. Hoewel lasersnijden een thermisch proces is, is het daadwerkelijke oppervlak dat door de laser wordt verwarmd zeer klein en wordt het grootste deel van dit verwarmde materiaal verwijderd tijdens het snijden. Aldus is de thermische invoer voor de bulk van het materiaal zeer laag, worden door warmte beïnvloede zones geminimaliseerd en wordt thermische vervorming in het algemeen vermeden.

F. Het is een contactloos proces, wat betekent dat het materiaal alleen maar licht geklemd hoeft te worden of alleen onder de balk moet worden geplaatst. Flexibele of dunne materialen kunnen met grote precisie worden gesneden en vervormen niet tijdens het snijden, zoals bij mechanische bewerking.

G. Vanwege de CNC-aard van het proces, de beperkte breedte van de keft en het gebrek aan mechanische kracht op het te snijden vel, kunnen componenten zo worden geplaatst dat ze heel dicht bij elkaar 'nestelen'. Daarom kan materiaalverspilling tot een minimum worden beperkt. In sommige gevallen kan dit principe worden verlengd totdat er helemaal geen afvalmateriaal is tussen soortgelijke randen van aangrenzende componenten.

H. Hoewel de kapitaalkosten van een lasersnijmachine aanzienlijk zijn, zijn de bedrijfskosten over het algemeen laag. Er zijn veel industriële gevallen waarin een grote installatie zichzelf binnen een jaar heeft terugbetaald.

I. Het proces is uiterst stil in vergelijking met concurrerende technieken, een factor die de werkomgeving en de efficiëntie of het bedienend personeel verbetert.

J. Lasersnijmachines zijn extreem veilig in gebruik in vergelijking met veel van hun mechanische tegenhangers.

Een vergelijking van CO2 en Nd:

  YAG lasersnijden. CO2- en Nd: YAG-lasers genereren beide hoge intensiteitstralen infraroodlicht die kunnen worden scherpgesteld en worden gebruikt voor snijden.

  Veel minder Nd: YAG-lasers worden verkocht als snijmachines in vergelijking met CO2-lasers. Dit komt omdat voor algemene snijtoepassingen CO2-lasers het meest effectief zijn. Nd: YAG-lasers hebben alleen de voorkeur:

A. Als zeer fijn gedetailleerd werk vereist is in dun sectiemateriaal.

B. Als sterk reflecterende materialen zoals koper of zilverlegeringen regelmatig moeten worden gesneden

OF

C. Als een optische vezel moet worden gebruikt om de laserstraal naar het werkstuk te transporteren.

  Hoewel zowel CO2- als Nd: YAG-lasers infrarood licht genereren, is de golflengte van het CO2-laserlicht tien keer die van de Nd: YAG-machines (respectievelijk 10,6 micron en 1,06 micron). Omdat het Nd: YAG-laserlicht een kortere golflengte heeft, heeft het drie voordelen ten opzichte van CO2-laserlicht:

1. Nd: YAG-laserlicht kan worden gericht op een kleinere plek * dan CO2-laserlicht. Dit betekent dat fijner, meer gedetailleerd werk kan worden bereikt (bijvoorbeeld sierklokhanden).

2. Nd: YAG-laserlicht wordt minder gemakkelijk gereflecteerd door metalen oppervlakken. Om deze reden zijn Nd: YAG-lasers geschikt om te werken op sterk reflecterende metalen zoals zilver.

3. Nd: YAG-licht kan door glas reizen (CO2-licht kan dit niet). Dit betekent dat glazen lenzen van hoge kwaliteit kunnen worden gebruikt om de straal tot een minimale spotgrootte * te richten. Ook kunnen optische vezels van kwarts worden gebruikt om de bundel relatief lange afstanden naar het werkstuk te dragen. Dit heeft geleid tot het wijdverspreide gebruik van Nd: YAG-lasers op autoproductielijnen waar beschikbare ruimte op de lijnen een premie is.

* Opmerking: als een optische vezel wordt gebruikt, kan het vermogen van het Nd: YAG-laserlicht om naar een zeer kleine plek te worden gericht verloren gaan als het gemiddelde vermogen meer dan 100 watt bedraagt. De gefocusseerde vlekgrootte na het reizen door een optische vezel kan groter zijn dan een CO2-laserspot

  Het Nd: YAG laserlicht met kortere golflengte heeft ook één belangrijk nadeel:

1. De meeste organische materialen (bijvoorbeeld kunststoffen, op hout gebaseerde producten, leer, natuurlijke rubbers, enz.) Zijn transparant voor Nd: YAG-laserlicht. Om deze reden kunnen ze niet worden gesneden door Nd: YAG-lasers. Als het laservermogen laag is of de scherpstelpunt groot is, passeert het licht het materiaal zonder het voldoende te verwarmen om het te snijden. Als de intensiteit van de laserstraal wordt verhoogd, door het vermogen te vergroten of de spotgrootte te verkleinen, zal het materiaal uiteindelijk reageren met een gelokaliseerde explosie die een traan of gat kan produceren.

  De situatie met anorganische niet-metalen (bijvoorbeeld keramiek, glas, koolstof, enz.) Is nogal complex. CO2-lasers kunnen worden gebruikt om een groot deel van deze materialen te snijden, maar nogmaals: Nd: YAG-machines kunnen problemen ondervinden met materiaaltransparantie (dit geldt bijvoorbeeld voor glas en kwarts). Een succesverhaal voor beide soorten lasertechnologie is het profileren van keramische substraten voor de elektronica-industrie. In sommige gevallen kunnen de anorganische vulstoffen die worden gebruikt voor het kleuren of harden van kunststoffen, ze geschikt maken voor Nd: YAG-sneden. Over het algemeen wordt het snijden van polymeren echter alleen uitgevoerd door CO2-lasers.

  Samenvattend kunnen Nd: YAG-lasers worden gebruikt om fijne details te knippen, of ze kunnen worden gebruikt met een optische vezel, in welk geval fijne details niet mogelijk zullen zijn (behalve bij het snijden van folies of dunne maskers bij een lager vermogen). Ze zijn bijzonder geschikt voor het snijden van legeringen met hoge reflectiviteit, maar kunnen niet veel niet-metalen snijden.

  CO2-lasers zijn daarentegen meestal een goedkopere productieroute en zijn daarom favoriet voor algemene technische doeleinden. CO2-lasers hebben ook het voordeel dat ze een breder scala aan materialen kunnen snijden, van metalen tot polymeren en hout.

Snijmechanismen

  Snijmechanismen kunnen materialen met een laser snijden op verschillende mechanismen die hieronder worden beschreven. De subkop naar elk snijmechanisme bevat een vermelding van de groepen gesneden materiaal en van welke van de lasers het betreft.

  Melt Shearing of Fusion Cutting (de meeste metalen en thermoplastics - CO2 en Nd: YAG lasers)

  Figuur 2 is een schema van het proces van smeltscheuren of fusiesnijden. (Ook aangeduid als 'inert gas snijden'). [1] In dit geval smelt de gefocusseerde laserstraal het werkstuk en wordt de smelt uit de onderkant van de snede gespoten door demechanische actie van de snijgasstraal. Materialen die op deze manier worden gesneden omvatten de meerderheid van die die kunnen worden gesmolten, d.w.z. metalen en thermoplasten. Om deze materialen met succes te kunnen snijden, moeten we ons snijgas kiezentype en druk voorzichtig.

  Het snijgastype wordt gekozen afhankelijk van de reactieve aard van het materiaal dat wordt gesneden, d.w.z.

  Gesmolten thermoplastische materialen reageren niet chemisch met stikstof of zuurstof en dus kan samengeperste lucht als het snijgas worden gebruikt.

Gesmolten roestvrij staal reageert met zuurstof maar niet met stikstof en in dit geval wordt dus stikstof gebruikt.

  Gesmolten titanium reageert met zuurstof of stikstof en dus wordt argon (dat chemisch inert is) gebruikt als het snijgas.

  De druk van het gebruikte gas hangt ook af van de materialen die worden gesneden, d.w.z. De verwijdering van gesmolten polymeer uit de snijzone (bij het snijden van bijvoorbeeld nylon) vereist geen hogedrukgasstraal en dus de toevoerdruk naar desnijkop kan van het bereik van 2-6 bar zijn. Gesmolten roestvrij staal daarentegen heeft aanzienlijk meer mechanische stuwkracht nodig om het uit de snijzone te verwijderen en dus zullen de gebruikte toevoerdrukken liggen in het bereik van 8-14 bar (devereiste druk neemt toe met de dikte van het staal).