جامع ترین اطلاعات درباره فناوری برش لیزری فلزات

فناوری برش لیزری فلزات چیست؟

در صنعت برای حکاکی روی برخی مواد مانند فلزات یا برش آنها از تکنولوژی پرتو لیزر استفاده می شود. برش لیزری یک فرآیند حرارتی است که با هدایت کردن پرتو قدرتمند لیزر بر روی فلز و ذوب آن به صورت منطقه ای، می توان فلزات رو برش داد یا آنها رو به شکل های دلخواه طراحی کرد.

در این فرآیند از جت گاز محوری برای بیرون راندن مواد مذاب و ایجاد روکش استفاده می شود. محدوده کارایی روش برش لیزری فلزات بین 10 تا 25 میلیمتر است. این روش علاوه بر آسان بودن، دقت و کیفیت بالایی دارد. سرعت برش لیزری در ضخامت های پایین بسیار زیاد است، اما با افزایش ضخامت، سرعت برش کاهش پیدا می کند.

انواع تکنولوژی برش لیزری

سه نوع اصلی تکنولوژی برش لیزری عبارتند از: برش فیوژن، برش شعله و برش از راه دور

• برش فیوژن: در این روش از گاز بی اثر استفاده می شود، که با ماده اصلی واکنش گرمازایی ندارد.
• برش شعله: در این روش از اکسیژن به عنوان گاز کمکی استفاده می شود تا علاوه بر اعمال نیروی مکانیکی بر روی مواد مذاب، با ایجاد یک واکنش گرمازا، انرژی ورودی را افزایش دهد.
• برش از راه دور: در این روش مواد به واسطه در معرض قرار گیری پرتو لیزری بسیار قدرتمند تا حدی تبخیر شده و ورق های نازک بدون گاز کمکی بریده می شوند.

بهبود دقت، مساحت لبه و کنترل حرارت در تکنولوژی برش لیزری فلزات به این معنی است که فرایند لیزر به طور فزاینده ای جایگزین سایر تکنیک های برش پروفایل، مانند پلاسما و اکسی سوخت می شود.

تأثیر لنز استفاده شده بر ضخامت برش

اساس فناوری برش لیزری بر پایه تمرکز پرتو لیزر با بهره گیری از یک لنز بر روی نقطه کوچکی از ماده است. این پرتو باید چگالی قدرت کافی برای ایجاد برش لیزری را داشته باشد. عوامل مهمی که بر کارایی این فرآیند اثر می گذارند، قطر نقطه متمرکز یعنی فاصله کانونی عدسی و عمق فوکوس یا همان فاصله مؤثر در ایجاد برش موفق هستند. این دو عامل تحت تأثیر قطر پرتو لیزر می باشند.

اگر قطر پرتو لیزر را ثابت در نظر بگیریم، کاهش نقطه متمرکز باعث افزایش عمق فوکوس می شود.

بنابراین برای مقایسه لیزرها و انتخاب لیزر مناسب جهت استفاده در فرآیند برش لیزری فلزات، از عاملی به نام f-focus استفاده می کنیم که از تقسیم فاصله کانونی F بر قطر پرتو لیزر D بدست می آید.
عوامل مهم تأثیرگذار بر برش به شرح زیر هستند:

الف) چگالی قدرت بالا و بنابراین اندازه نقطه متمرکز کوچک
ب) عمق زیاد تمرکز برای پردازش مواد ضخیم تر با تحمل معقول در تغییر موقعیت تمرکز

همانطور که مشاهده می کنید، این دو عامل در تضاد با هم هستند و لازم است که سازشی بین آنها ایجاد شود. تنها نکته دیگر این است که فاصله کانونی هرچه کوتاهتر باشد، لنز به قطعه کار نزدیکتر است و بنابراین احتمال دارد در اثر برش در فرآیند برش لیزری آسیب ببیند.

تنظیم فاصله کانونی برای هر ضخامت متفاوت از مواد تحت برش به منظور دست یافتن به یک برش لیزری بهینه زمان بر است، که باید در تعادل با سرعت کار باشد.

چه نوع دستگاه برش لیزری برای برش ورق فلزات استفاده می گردد؟

دستگاه های متفاوتی در فناوری برش لیزری فلزات به کار می روند که عبارتند از: دستگاه لیزر CO2، دستگاه برش لیزر فیبر، ماشین لیزر Nd، لیزرهای Nd-YAG، لیزر میکرو واترجت، لیزر فیبر و غیره.

دستگاه برش لیزر CO2

دستگاه برش لیزری CO2 اولین دستگاهی بود که در فرآیند برش لیزری فلزات استفاده شد. این دستگاه از مخلوط گازی دی اکسید کربن، هلیوم و نیتروژن استفاده می کند. دستگاه برش لیزری مذکور با استفاده از تخلیه الکتریکی، به صورت الکتریکی پمپ می شود.

طول موج پرتو لیزر CO2، حدود 10.6 میکرومتر است. بازدهی پلاگین لیزرهای CO2 در حدود 10 است که از بیشتر لیزرهای حالت جامد پمپ شده با لامپ (مانند لیزرهای ND: YAG) بیشتر و از بسیاری از لیزرهای پمپ شده با دیود کمتر می باشد.

لیزر CO2 می تواند مواد ضخیم با ضخامت بیش از 5 میلی متر را سریعتر از لیزر فیبر با همان قدرت، برش دهد. همچنین هنگام برش مواد ضخیم تر، سطح صاف تری ایجاد می کند.

دستگاه برش لیزری فیبر

لیزر های فیبری جزء دسته لیزرهای حالت جامد هستند. در این نوع لیزرها، پرتو بوسیله یک محیط جامد تولید می گردد. لیزر های دیسکی و لیزر های Nd: YAG جزء این دسته از لیزرها می باشند.

در این دستگاه برش لیزری، یک پرتو بوسیله یک سری دیود تولید شده و از طریق فیبر نوری تقویت و منتقل می گردد.

دستگاه برش لیزر فیبری تفاوت های معنا داری با دستگاه برش لیزر CO2 دارد، که عبارتند از:

• هیچ قطعه متحرک یا آینه چرخنده ای در دستگاه برش لیزر فیبری وجود ندارد، که این امر باعث کاهش هزینه تعمیر و نگهداری می شود.
• مصرف انرژی این دستگاه ها بسیار بالاست؛ گاهی چند برابر دستگاه برش لیزر CO2.
• دستگاه برش لیزر فیبر می تواند ورقه های نازک را سریعتر برش دهد.
• لیزرهای فیبر قادر به برش مواد بازتابنده بدون نگرانی از صدمه زدن به دستگاه هستند. این مزیت باعث می شود مس، برنج و آلومینیوم بدون مشکل بریده شوند.

لیزرهای دیود مستقیم

این دستگاه جدیدترین فناوری در زمینه دستگاه های برش لیزری فلزات حالت جامد است. در این دستگاه چندین پرتو لیزر با طول موج های مختلف تولید و ساطع می شوند و تلفات نوری کمتری دارند. با این حال، نسبت به دستگاه های برش لیزر فیبری دارای کیفیت پرتوی پایین تری هستند.

مزایای فناوری برش لیزری فلزات

• نگهداری آسان قطعه در موقعیت مورد نظر
• دقت و سرعت بالای انجام کار
• عدم نیاز به تماس مستقیم قطعه با ابزار برش
• کاهش خطر آلودگی مواد
• کاهش احتمال تغییر شکل مواد
• کاهش آسیب نیروی انسانی

معایب فناوری برش لیزری فلزات

• تفاوت در کارایی و مصرف برق بسته به نوع مقطع مورد نیاز
• نیاز به اتاق تهویه خوب
• محدود بودن انواع فلزاتی که با روش برش لیزری بریده می شوند
• وابسته بودن نرخ تولید به نوع و ضخامت فلز مورد برش
• احتمال ایجاد احتراق در برخی مواد به دلیل تنظیم دما از راه دور
• نیاز به میزان انرژی الکتریکی بالا

نرم افزار های مورد استفاده در فناوری برش لیزری فلزات

در تکنولوژی برش لیزری فلزات از نرم افزارهای متفاوتی استفاده می شود. هر کدام از این نرم افزار ها ویژگی خاص خود را دارند، بنابراین هنگام انتخاب آنها باید به گزینه های مختلفی توجه کرد تا نتیجه مورد نیاز بدست آید. در اینجا به طور موردی به این نرم افزارها و کاربرد آنها اشاره می شود:

1- Microsoft Word: این نرم افزار برای برش ها و حکاکی های متنی استفاده می شود.

2- CorelDRAW, Illustrator, and Inkscap: این نرم افزارها برای برش های گرافیکی و طرح بندی ها به کار می روند. نرم افزارهای مذکور شامل مقیاس ها و منابع دقیق برای کمک به ایجاد و موقعیت گرافیکی شما می باشند.

3- Photoshop, GIMP, 1-Touch Laser Photo: اگر با عکس سر و کار دارید و می خواهید طرح یک عکس برش داده شود، این 3 نرم افزار در نوع خود بهترین هستند.

4- AutoCAD, CATIA, Creo, DraftSight, Inventor, SolidWorks: این نرم افزارهای مهندسی زمانی به کار می روند که شما نیاز به محاسبه دقیق ابعاد طرح دارید. اغلب برای برش لیزری پیچیده، حفاری لیزری و خط کشی لیزری از این نرم افزارها استفاده می شود.

کاربردهای صنعتی فناوری برش لیزری فلزات

فناوری برش لیزری بیشتر در صنایع خودرو، قالب سازی، ابزار سازی و جواهرات استفاده می شود. همچنین تولید تجهیزات پزشکی، رایانه ها و لوازم الکترونیکی نیازمند بهره گیری از فناوری برش لیزری فلزات می باشند.

دقت بالا، برش دقیق، زمان مورد نیاز کوتاه برای برش، ضایعات کمتر، مصرف برق کمتر، تنوع برش و عدم آسیب به مواد ضخیم از جمله دلایلی هستند که باعث محبوبیت روزافزون برش لیزری شده اند.

عمده کاربردهای فناوری برش لیزری فلزات را می توان در 6 طبقه خلاصه کرد:

• صنعت خودرو: صنعت خودروسازی نیاز مبرم به قطعاتی با اندازه ها و اشکال دقیق و مختلف دارد. از فناوری برش لیزری برای برش فلزات و پلاستیک های بدنه خودرو، قطعات الکترونیکی، و همچنین دکمه ها و حکاکی روی آنها و همچنین روکش های داخلی بهره گرفته می شود.
• صنایع قالب سازی و قالب بندی: از فناوری برش لیزری برای ساخت قالب برای تولید قطعات تکراری استفاده می گردد. برش لیزری تکرار قالب را به یک فرآیند سریع تبدیل می نماید. در صنعت تولید ابزار می توان برش لیزری را برای ساخت ابزار دستی به کار برد. با این روش حتی می توان به ابزار محکم تری دست یافت.
• صنعت طلا و جواهر: دقت برش لیزری به راحتی به روند ساخت جواهرات کمک می کند. یک ساعت را با چرخ دنده های کوچک تجسم کنید. برش لیزری با دقت باورنکردنی می تواند چرخ دنده ها را با ضایعات کمتر و زمان تولید کوتاه تر بسازد. از آنجا که لیزر می تواند اشکال و ضخامت های دقیق را برش دهد، می توان از فناوری برش لیزری برای ساخت جواهرات نیز استفاده کرد.
• ساخت حلقه یا دستبند با عرض، عمق و قطر دقیق توسط لیزر انجام می شود. لیزر همچنین می تواند برای حکاکی طرح ها و کتیبه ها روی سطح داخلی یا خارجی قطعه مورد استفاده واقع گردد.
• ساخت تجهیزات پزشکی: جراحی لیزر و ایجاد دستگاه های پزشکی از مهمترین کاربرد های فناوری برش لیزر در صنعت پزشکی هستند. جراحان می توانند برش های دقیق تری ایجاد کنند و بیماران با جراحی لیزر بسیار سریعتر بهبود می یابند. از فناوری برش لیزری برای ایجاد وسایل پزشکی استفاده می کنیم که کیفیت زندگی را برای بیماران بهبود می بخشد.
• تولید سرامیک: سرامیک ها دارای ویژگی های متعددی هستند که به مهندسان اجازه می دهند از آنها برای طیف گسترده از برنامه های خود بهره ببرند. فناوری برش لیزر اغلب برای برش سرامیک استفاده می شود، زیرا زمان پردازش را بدون آسیب رساندن به کیفیت لبه کاهش می دهد. موتورهای جت هواپیما، موتورهای الکتریکی، بلندگوها، هدفون، ژنراتور نیروگاه برق، اجاق گازهای برقی و حتی لامپ های رشته ای همگی دارای قطعات سرامیکی هستند.
• تولید سیلیکون: سیلیکون یکی دیگر از مواد با طیف گسترده ای از کاربرد هاست. برش دقیق سیلیکون بوسیله فناوری برش لیزری فلزات، به مهندسان اجازه می دهد به قطعات بسیار کوچکی از سیلیکون دست یابند. از آنجا که سیلیکون در برابر گرما مقاوم است و عمر طولانی دارد و به راحتی قابل تبدیل می باشد، کاربردهای بسیار زیادی در صنعت رایانه، لوازم الکترونیکی، منسوجات، لوازم خانگی و خودرو ها دارد.

منابع:

https://www.twi-global.com/technical-knowledge/job-knowledge/cutting-processes-laser-cutting-052

https://www.troteclaser.com/en-au/faqs/how-to-laser-cut/

https://cpl.org/wp-content/uploads/NEVER-CUT-THESE-MATERIALS.pdf

https://www.troteclaser.com/en-us/applications/stone/