Lasersnijden is een technologie die een laser gebruikt om materialen te verdampen, wat resulteert in een snijrand.Hoewel het meestal wordt gebruikt voor industriële productietoepassingen, wordt het nu gebruikt door scholen, kleine bedrijven, architectuur en hobbyisten.Lasersnijden werkt door de uitvoer van een krachtige laser meestal door optica te sturen.De laseroptiek en CNC (computer numerieke besturing) worden gebruikt om de laserstraal op het materiaal te richten.Een commerciële laser voor het snijden van materialen gebruikt een bewegingscontrolesysteem om een CNC- of G-code van het te snijden patroon op het materiaal te volgen.De gerichte laserstraal wordt op het materiaal gericht, dat vervolgens smelt, verbrandt, verdampt of wordt weggeblazen door een gasstraal, [1] waardoor een rand ontstaat met een hoogwaardige oppervlakteafwerking
Geschiedenis
In 1965 werd de eerste productielasersnijmachine gebruikt om gaten in diamanten matrijzen te boren.Deze machine is gemaakt door het Western Electric Engineering Research Center.[3]In 1967 pionierden de Britten met laser-assisted zuurstofstraalsnijden voor metalen.Begin jaren 70 werd deze technologie in productie genomen om titanium te snijden voor ruimtevaarttoepassingen.Tegelijkertijd werden CO2-lasers aangepast om niet-metalen, zoals textiel, te snijden, omdat CO2-lasers destijds niet krachtig genoeg waren om de thermische geleidbaarheid van metalen te overwinnen.[5]
Proces
Industrieel lasersnijden van staal met snij-instructies geprogrammeerd via de CNC-interface
De laserstraal wordt over het algemeen gefocusseerd met behulp van een hoogwaardige lens op het werkgebied.De kwaliteit van de bundel heeft een directe invloed op de grootte van de gefocusseerde vlek.Het smalste deel van de gefocusseerde bundel heeft in het algemeen een diameter van minder dan 0,0125 inch (0,32 mm).Afhankelijk van de materiaaldikte zijn kerfbreedtes zo klein als 0,004 inch (0,10 mm) mogelijk.Om ergens anders dan vanaf de rand te kunnen beginnen met snijden, wordt voor elke snede een doorsteek gemaakt.Piercing omvat meestal een krachtige gepulseerde laserstraal die langzaam een gat in het materiaal maakt, bijvoorbeeld ongeveer 5-15 seconden voor roestvrij staal van 0,5 inch dik (13 mm).
De parallelle stralen van coherent licht van de laserbron vallen vaak in het bereik tussen 0,06-0,08 inch (1,5-2,0 mm) in diameter.Deze straal wordt normaal gesproken gefocusseerd en geïntensiveerd door een lens of een spiegel tot een zeer kleine vlek van ongeveer 0,001 inch (0,025 mm) om een zeer intense laserstraal te creëren.Om een zo glad mogelijke afwerking te bereiken tijdens het contoursnijden, moet de richting van de bundelpolarisatie worden gedraaid terwijl deze rond de omtrek van een voorgevormd werkstuk gaat.Voor het snijden van plaatwerk is de brandpuntsafstand gewoonlijk 38-76 mm.[7]
Voordelen van lasersnijden ten opzichte van mechanisch snijden zijn onder meer een gemakkelijker vasthouden van het werkstuk en minder vervuiling van het werkstuk (omdat er geen snijkant is die door het materiaal kan worden verontreinigd of het materiaal kan verontreinigen).Precisie kan beter zijn, omdat de laserstraal tijdens het proces niet slijt.Er is ook een kleinere kans op kromtrekken van het materiaal dat wordt gesneden, omdat lasersystemen een kleine door warmte beïnvloede zone hebben.[8]Sommige materialen zijn ook erg moeilijk of onmogelijk te snijden met meer traditionele middelen.
Lasersnijden voor metalen heeft de voordelen boven plasmasnijden dat het nauwkeuriger is[9] en minder energie verbruikt bij het snijden van plaatmetaal;de meeste industriële lasers kunnen echter niet door de grotere metaaldikte snijden dan plasma.Nieuwere lasermachines die met een hoger vermogen werken (6000 watt, in tegenstelling tot de 1500 watt-classificaties van vroege lasersnijmachines) naderen plasmamachines in hun vermogen om door dikke materialen te snijden, maar de kapitaalkosten van dergelijke machines zijn veel hoger dan die van plasma snijmachines die in staat zijn om dikke materialen zoals staalplaat te snijden.[10]
Soorten
4000 watt CO2-lasersnijder
Er zijn drie hoofdtypen lasers die worden gebruikt bij lasersnijden.De CO2-laser is geschikt voor snijden, kotteren en graveren.De neodymium (Nd) en neodymium yttrium-aluminium-granaat (Nd:YAG) lasers zijn identiek qua stijl en verschillen alleen in toepassing.Nd wordt gebruikt voor saai en waar hoge energie maar lage herhaling vereist is.De Nd:YAG-laser wordt gebruikt waar een zeer hoog vermogen nodig is en voor kotteren en graveren.Zowel CO2- als Nd/Nd:YAG-lasers kunnen worden gebruikt om te lassen.[11]
CO2-lasers worden gewoonlijk "gepompt" door een stroom door het gasmengsel te leiden (DC-geëxciteerd) of door gebruik te maken van radiofrequentie-energie (RF-geëxciteerd).De RF-methode is nieuwer en populairder geworden.Aangezien DC-ontwerpen elektroden in de holte vereisen, kunnen ze elektrodenerosie en plating van elektrodemateriaal op glaswerk en optica tegenkomen.Omdat RF-resonatoren externe elektroden hebben, zijn ze niet vatbaar voor die problemen.CO2-lasers worden gebruikt voor industrieel snijden van vele materialen, waaronder titanium, roestvrij staal, zacht staal, aluminium, plastic, hout, bewerkt hout, was, stoffen en papier.YAG-lasers worden voornamelijk gebruikt voor het snijden en krassen van metalen en keramiek.[12]
Naast de stroombron kan ook het type gasstroom de prestaties beïnvloeden.Veel voorkomende varianten van CO2-lasers zijn snelle axiale stroming, langzame axiale stroming, transversale stroming en plaat.In een snelle axiale resonator wordt het mengsel van kooldioxide, helium en stikstof met hoge snelheid gecirculeerd door een turbine of ventilator.Transversale stroomlasers circuleren het gasmengsel met een lagere snelheid, waardoor een eenvoudigere blazer nodig is.Plaat- of diffusiegekoelde resonatoren hebben een statisch gasveld dat geen drukverhoging of glaswerk vereist, wat leidt tot besparingen op vervangende turbines en glaswerk.
De lasergenerator en externe optica (inclusief de focuslens) hebben koeling nodig.Afhankelijk van de systeemgrootte en configuratie kan afvalwarmte worden overgedragen door een koelmiddel of rechtstreeks naar de lucht.Water is een veelgebruikte koelvloeistof, meestal gecirculeerd door een koelmachine of warmteoverdrachtsysteem.
laser microjet is een waterstraalgeleide laser waarbij een gepulste laserstraal wordt gekoppeld aan een lagedruk waterstraal.Dit wordt gebruikt om lasersnijfuncties uit te voeren terwijl de waterstraal wordt gebruikt om de laserstraal, net als een optische vezel, door totale interne reflectie te leiden.De voordelen hiervan zijn dat het water ook vuil verwijdert en het materiaal koelt.Bijkomende voordelen ten opzichte van traditioneel "droog" lasersnijden zijn hoge snijsnelheden, parallelle kerf en omnidirectioneel snijden.[13]
Vezellasers zijn een type vastestoflaser dat snel groeit binnen de metaalbewerkingsindustrie.In tegenstelling tot CO2 maakt Vezeltechnologie gebruik van een vast versterkingsmedium, in tegenstelling tot een gas of vloeistof.De "zaadlaser" produceert de laserstraal en wordt vervolgens versterkt in een glasvezel.Met een golflengte van slechts 1064 nanometer produceren fiberlasers een extreem kleine spotgrootte (tot 100 keer kleiner in vergelijking met de CO2), waardoor het ideaal is voor het snijden van reflecterend metaalmateriaal.Dit is een van de belangrijkste voordelen van Fiber ten opzichte van CO2.[14]
Voordelen van fiberlasersnijders zijn onder meer: -
Snelle verwerkingstijden.
Lager energieverbruik en lagere rekeningen – dankzij grotere efficiëntie.
Grotere betrouwbaarheid en prestaties - geen optica om af te stellen of uit te lijnen en geen lampen om te vervangen.
Minimaal onderhoud.
Het vermogen om sterk reflecterende materialen zoals koper en messing te verwerken
Hogere productiviteit – lagere operationele kosten bieden een hoger rendement op uw investering.[15]
Methoden:
Er zijn veel verschillende methoden voor het snijden met lasers, waarbij verschillende soorten worden gebruikt om verschillende materialen te snijden.Enkele van de methoden zijn verdampen, smelten en blazen, smelten blazen en branden, thermische spanningsscheuren, schrijven, koud snijden en brandend gestabiliseerd lasersnijden.
Verdamping snijden:
Bij verdampingssnijden verwarmt de gerichte straal het oppervlak van het materiaal tot het vlampunt en genereert een sleutelgat.Het sleutelgat leidt tot een plotselinge toename van het absorptievermogen, waardoor het gat snel wordt verdiept.Naarmate het gat dieper wordt en het materiaal kookt, erodeert de gegenereerde damp de gesmolten wanden die naar buiten worden geblazen en het gat verder vergroten.Niet-smeltende materialen zoals hout, koolstof en thermohardende kunststoffen worden meestal volgens deze methode gesneden.
Smelten en blazen
Smelt- en blaas- of smeltsnijden maakt gebruik van hogedrukgas om gesmolten materiaal uit het snijgebied te blazen, waardoor het benodigde vermogen aanzienlijk wordt verminderd.Eerst wordt het materiaal verwarmd tot het smeltpunt, waarna een gasstraal het gesmolten materiaal uit de snede blaast, waardoor de temperatuur van het materiaal niet meer hoeft te worden verhoogd.Materialen die met dit proces worden gesneden, zijn meestal metalen.
Thermische spanningsscheuren
Brosse materialen zijn bijzonder gevoelig voor thermische breuk, een eigenschap die wordt benut bij thermische spanningsscheuren.Een bundel wordt op het oppervlak gefocusseerd en veroorzaakt plaatselijke verwarming en thermische uitzetting.Dit resulteert in een scheur die vervolgens kan worden geleid door de balk te verplaatsen.De scheur kan worden verplaatst in de volgorde van m/s.Het wordt meestal gebruikt bij het snijden van glas.
Stealth in blokjes snijden van siliciumwafels
Nadere informatie: Wafer in blokjes snijden
De scheiding van micro-elektronische chips zoals bereid bij de fabricage van halfgeleiderapparaten van siliciumwafels kan worden uitgevoerd door het zogenaamde stealth-dicing-proces, dat werkt met een gepulseerde Nd:YAG-laser waarvan de golflengte (1064 nm) goed is aangepast aan de elektronische bandafstand van silicium (1,11 eV of 1117 nm).
Reactieve snijden
Ook wel "brandend gestabiliseerd lasergassnijden", "vlamsnijden" genoemd.Reactief snijden is als snijden met een zuurstofbrander, maar met een laserstraal als ontstekingsbron.Meestal gebruikt voor het snijden van koolstofstaal in diktes van meer dan 1 mm.Dit proces kan worden gebruikt om zeer dikke staalplaten te snijden met relatief weinig laservermogen.
Toleranties en oppervlakteafwerking
Lasersnijders hebben een positioneringsnauwkeurigheid van 10 micrometer en een herhaalbaarheid van 5 micrometer.
Standaard ruwheid Rz neemt toe met de plaatdikte, maar neemt af met laservermogen en snijsnelheid.Bij het snijden van koolstofarm staal met een laservermogen van 800 W is de standaard ruwheid Rz 10 m voor plaatdikte van 1 mm, 20 m voor 3 mm en 25 m voor 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}}}}
Waar: {\displaystyle S=}S= staalplaatdikte in mm;{\displaystyle P=}P= laservermogen in kW (sommige nieuwe lasersnijders hebben een laservermogen van 4 kW);{\displaystyle V=}V= snijsnelheid in meter per minuut.[16]
Dit proces kan vrij nauwe toleranties aanhouden, vaak tot binnen 0,001 inch (0,025 mm).Onderdeelgeometrie en de mechanische degelijkheid van de machine hebben veel te maken met tolerantiemogelijkheden.De typische oppervlakteafwerking als gevolg van laserstralen kan variëren van 125 tot 250 micro-inch (0,003 mm tot 0,006 mm).[11]
Machineconfiguraties
Dual-pallet vliegende optische laser
Vliegende optische laserkop
Er zijn over het algemeen drie verschillende configuraties van industriële lasersnijmachines: bewegend materiaal, hybride en vliegende optische systemen.Deze verwijzen naar de manier waarop de laserstraal over het te snijden of te bewerken materiaal wordt bewogen.Voor al deze worden de bewegingsassen meestal aangeduid met de X- en Y-as.Als de snijkop kan worden bestuurd, wordt deze aangeduid als de Z-as.
Lasers voor bewegend materiaal hebben een stationaire snijkop en verplaatsen het materiaal eronder.Deze methode zorgt voor een constante afstand van de lasergenerator tot het werkstuk en een enkel punt om het snijafval te verwijderen.Het vereist minder optica, maar vereist het verplaatsen van het werkstuk.Deze stijlmachine heeft meestal de minste optische stralen, maar is ook de langzaamste.
Hybride lasers bieden een tafel die in één as beweegt (meestal de X-as) en de kop langs de kortere (Y) as beweegt.Dit resulteert in een meer constante straalafgiftepadlengte dan een vliegende optische machine en kan een eenvoudiger straalafgiftesysteem mogelijk maken.Dit kan resulteren in minder vermogensverlies in het afleversysteem en meer capaciteit per watt dan vliegende optica-machines.
Vliegende optische lasers hebben een stationaire tafel en een snijkop (met laserstraal) die in beide horizontale afmetingen over het werkstuk beweegt.Vliegende optiekmessen houden het werkstuk tijdens de bewerking stil en vereisen vaak geen materiaalopspanning.De bewegende massa is constant, dus de dynamiek wordt niet beïnvloed door verschillende afmetingen van het werkstuk.Vliegende optische machines zijn van het snelste type, wat voordelig is bij het snijden van dunnere werkstukken.[17]
Vliegende optische machines moeten een methode gebruiken om rekening te houden met de veranderende straallengte van het snijden in het nabije veld (dicht bij de resonator) naar het snijden in het verre veld (ver weg van de resonator).Gebruikelijke methoden om dit te beheersen zijn collimatie, adaptieve optica of het gebruik van een as met een constante bundellengte.
Machines met vijf en zes assen maken het ook mogelijk om gevormde werkstukken te snijden.Daarnaast zijn er verschillende methoden om de laserstraal op een gevormd werkstuk te oriënteren, een juiste focusafstand en mondstukafstand te behouden, enz.
Pulserend
Gepulseerde lasers die gedurende een korte periode een krachtige uitbarsting van energie leveren, zijn zeer effectief bij sommige lasersnijprocessen, met name voor het doorboren, of wanneer zeer kleine gaatjes of zeer lage snijsnelheden vereist zijn, aangezien als een constante laserstraal zou worden gebruikt, de hitte zou het punt kunnen bereiken dat het hele stuk dat wordt gesneden, smelt.
De meeste industriële lasers hebben de mogelijkheid om CW (continuous wave) te pulseren of te snijden onder NC (numerieke besturing) programmabesturing.
Dubbelpulslasers gebruiken een reeks pulsparen om de materiaalverwijderingssnelheid en de gatkwaliteit te verbeteren.In wezen verwijdert de eerste puls materiaal van het oppervlak en de tweede voorkomt dat de ejecta aan de zijkant van het gat of de snede blijft kleven.[18]
Posttijd: 16 juni-2022