ლაზერული ჭრის დანერგვა

ლაზერული ჭრა არის ტექნოლოგია, რომელიც იყენებს ლაზერს მასალების აორთქლების მიზნით, რის შედეგადაც კიდე ჭრის.მიუხედავად იმისა, რომ ჩვეულებრივ გამოიყენება სამრეწველო წარმოების აპლიკაციებისთვის, ახლა მას იყენებენ სკოლები, მცირე ბიზნესი, არქიტექტურა და ჰობისტები.ლაზერული ჭრა მუშაობს მაღალი სიმძლავრის ლაზერის გამომუშავების მიმართვით, ყველაზე ხშირად ოპტიკის საშუალებით.ლაზერული ოპტიკა და CNC (კომპიუტერული რიცხვითი კონტროლი) გამოიყენება ლაზერის სხივის მასალისკენ მიმართვისთვის.მასალების საჭრელი კომერციული ლაზერი იყენებს მოძრაობის კონტროლის სისტემას, რათა დაიცვას მასალაზე დასაჭრელი ნიმუშის CNC ან G-კოდი.ფოკუსირებული ლაზერის სხივი მიმართულია მასალაზე, რომელიც შემდეგ ან დნება, იწვის, ორთქლდება, ან აფეთქდება გაზის ჭავლით, [1] ტოვებს კიდეს მაღალი ხარისხის ზედაპირის დასრულებას.

ისტორია
1965 წელს პირველი წარმოების ლაზერული საჭრელი მანქანა გამოიყენეს ალმასის ჭურჭელში ხვრელების გასაბურღად.ეს მანქანა დამზადებულია დასავლეთის ელექტროინჟინერიის კვლევის ცენტრის მიერ.[3]1967 წელს ბრიტანელმა პიონერად წამოიწყო ლაზერული დახმარებით ჟანგბადის ჭავლი ჭრის ლითონისთვის.[4]1970-იანი წლების დასაწყისში ეს ტექნოლოგია ამოქმედდა ტიტანის მოსაჭრელად აერონავტიკაში გამოყენებისთვის.ამავდროულად CO2 ლაზერები ადაპტირებული იყო არამეტალების მოსაჭრელად, როგორიცაა ტექსტილი, რადგან იმ დროს CO2 ლაზერები არ იყო საკმარისად ძლიერი ლითონების თბოგამტარობის დასაძლევად.[5]

პროცესი

ფოლადის სამრეწველო ლაზერული ჭრა ჭრის ინსტრუქციებით დაპროგრამებული CNC ინტერფეისით
ლაზერის სხივი ძირითადად ფოკუსირებულია სამუშაო ზონაზე მაღალი ხარისხის ლინზის გამოყენებით.სხივის ხარისხი პირდაპირ გავლენას ახდენს ფოკუსირებული ადგილის ზომაზე.ფოკუსირებული სხივის ყველაზე ვიწრო ნაწილი, როგორც წესი, დიამეტრის 0,0125 ინჩზე (0,32 მმ) ნაკლებია.მასალის სისქიდან გამომდინარე, შესაძლებელია 0,004 ინჩის (0,10 მმ) კერფის სიგანე.[6]იმისათვის, რომ ჭრის დაწყება სხვაგან, გარდა კიდისგან, კეთდება პირსი ყოველი ჭრის წინ.პირსინგი, როგორც წესი, მოიცავს მაღალი სიმძლავრის პულსირებულ ლაზერის სხივს, რომელიც ნელ-ნელა ხვრელს ხვრელს მასალაში, დაახლოებით 5–15 წამს სჭირდება, მაგალითად, 0,5 ინჩის სისქის (13 მმ) უჟანგავი ფოლადისთვის.

ლაზერის წყაროდან თანმიმდევრული სინათლის პარალელური სხივები ხშირად ეცემა დიამეტრის 0,06-0,08 ინჩს (1,5-2,0 მმ) შორის.ეს სხივი ჩვეულებრივ ფოკუსირებულია და ძლიერდება ლინზების ან სარკის საშუალებით ძალიან მცირე ადგილამდე, დაახლოებით 0,001 ინჩის (0,025 მმ) ძალიან ინტენსიური ლაზერის სხივის შესაქმნელად.კონტურული ჭრის დროს მაქსიმალურად გლუვი დასრულების მისაღწევად, სხივის პოლარიზაციის მიმართულება უნდა შემობრუნდეს, როდესაც ის მოძრაობს კონტურული სამუშაო ნაწილის პერიფერიაზე.ლითონის ფურცლის ჭრისთვის, ფოკუსური მანძილი, როგორც წესი, არის 1,5–3 ინჩი (38–76 მმ).[7]

ლაზერული ჭრის უპირატესობები მექანიკურ ჭრასთან შედარებით მოიცავს სამუშაო ნაწილის გაადვილებას და სამუშაო ნაწილის დაბინძურების შემცირებას (რადგან არ არსებობს საჭრელი პირა, რომელიც შეიძლება დაბინძურდეს მასალისგან ან დაბინძურდეს მასალისგან).სიზუსტე შეიძლება იყოს უკეთესი, რადგან ლაზერის სხივი არ ცვივა პროცესის დროს.ასევე შემცირებულია მოსაჭრელი მასალის დამახინჯების შანსი, რადგან ლაზერულ სისტემებს აქვთ მცირე სითბოს ზემოქმედების ზონა.[8]ზოგიერთი მასალის მოჭრა ასევე ძალიან რთული ან შეუძლებელია უფრო ტრადიციული საშუალებებით.

ლითონების ლაზერული ჭრის უპირატესობა პლაზმურ ჭრასთან შედარებით არის უფრო ზუსტი[9] და ნაკლები ენერგიის გამოყენება ლითონის ფურცლის ჭრისას;თუმცა, სამრეწველო ლაზერების უმეტესობას არ შეუძლია გაჭრას მეტალის უფრო დიდი სისქე, რაც პლაზმას შეუძლია.ახალი ლაზერული აპარატები, რომლებიც მუშაობენ უფრო მაღალი სიმძლავრით (6000 ვატი, განსხვავებით ადრეული ლაზერული საჭრელი მანქანების 1500 ვატიანი რეიტინგებისგან) უახლოვდებიან პლაზმურ აპარატებს სქელი მასალების გაჭრის უნარით, მაგრამ ასეთი მანქანების კაპიტალური ღირებულება გაცილებით მაღალია, ვიდრე პლაზმური. საჭრელი მანქანები, რომლებსაც შეუძლიათ სქელი მასალების მოჭრა, როგორიცაა ფოლადის ფირფიტა.[10]

ტიპები

4000 ვატი CO2 ლაზერული საჭრელი
ლაზერული ჭრისთვის გამოიყენება ლაზერების სამი ძირითადი ტიპი.CO2 ლაზერი შესაფერისია ჭრისთვის, მოსაწყენი და გრავირებისთვის.ნეოდიმი (Nd) და ნეოდიმი იტრიუმ-ალუმინ-გარნეტის (Nd:YAG) ლაზერები სტილით იდენტურია და განსხვავდებიან მხოლოდ გამოყენების მიხედვით.Nd გამოიყენება მოსაწყენი და სადაც საჭიროა მაღალი ენერგია, მაგრამ დაბალი გამეორება.Nd:YAG ლაზერი გამოიყენება იქ, სადაც საჭიროა ძალიან მაღალი სიმძლავრე, მოსაწყენი და გრავირება.ორივე CO2 და Nd/Nd:YAG ლაზერები შეიძლება გამოყენებულ იქნას შედუღებისთვის.[11]

CO2-ის ლაზერები ჩვეულებრივ „ტუმბირებენ“ გაზის ნარევში დენის გავლის გზით (DC-აღგზნებული) ან რადიოსიხშირული ენერგიის გამოყენებით (RF-აღგზნებული).RF მეთოდი უფრო ახალია და უფრო პოპულარული გახდა.იმის გამო, რომ DC დიზაინს სჭირდება ელექტროდები ღრუს შიგნით, მათ შეუძლიათ ელექტროდის ეროზია და ელექტროდის მასალის დაფარვა მინის ჭურჭელზე და ოპტიკაზე.ვინაიდან RF რეზონატორებს აქვთ გარე ელექტროდები, ისინი არ არიან მიდრეკილნი ამ პრობლემებისადმი.CO2 ლაზერები გამოიყენება მრავალი მასალის სამრეწველო ჭრისთვის, მათ შორის ტიტანის, უჟანგავი ფოლადი, რბილი ფოლადი, ალუმინი, პლასტმასი, ხის, ტექნოლოგიური ხის, ცვილის, ქსოვილებისა და ქაღალდის ჩათვლით.YAG ლაზერები ძირითადად გამოიყენება ლითონებისა და კერამიკის დასაჭრელად და დასაჭრელად.[12]

ენერგიის წყაროს გარდა, გაზის ნაკადის ტიპმა შეიძლება გავლენა მოახდინოს შესრულებაზეც.CO2 ლაზერების საერთო ვარიანტები მოიცავს სწრაფ ღერძულ ნაკადს, ნელი ღერძულ ნაკადს, განივი ნაკადს და ფილას.სწრაფი ღერძული ნაკადის რეზონატორში ნახშირორჟანგის, ჰელიუმის და აზოტის ნარევი ცირკულირებს მაღალი სიჩქარით ტურბინით ან აფეთქებით.განივი ნაკადის ლაზერები გაზის მიქსს უფრო დაბალი სიჩქარით ავრცელებენ, რაც მოითხოვს უფრო მარტივ აფეთქებას.ფილის ან დიფუზიით გაცივებული რეზონატორებს აქვთ სტატიკური გაზის ველი, რომელიც არ საჭიროებს ზეწოლას ან მინის ჭურჭელს, რაც იწვევს ეკონომიას შემცვლელ ტურბინებსა და მინის ჭურჭელზე.

ლაზერული გენერატორი და გარე ოპტიკა (მათ შორის ფოკუსირებული ობიექტივი) საჭიროებს გაგრილებას.სისტემის ზომისა და კონფიგურაციის მიხედვით, ნარჩენი სითბო შეიძლება გადაეცეს გამაგრილებლის საშუალებით ან პირდაპირ ჰაერში.წყალი არის საყოველთაოდ გამოყენებული გამაგრილებელი, რომელიც ჩვეულებრივ ბრუნავს ჩილერის ან სითბოს გადაცემის სისტემის მეშვეობით.

ლაზერული მიკროჯეტი არის წყლის ჭავლით მართვადი ლაზერი, რომელშიც პულსირებული ლაზერის სხივი შერწყმულია დაბალი წნევის წყლის ჭავლში.იგი გამოიყენება ლაზერული ჭრის ფუნქციების შესასრულებლად წყლის ჭავლის გამოყენებისას ლაზერის სხივის, ისევე როგორც ოპტიკური ბოჭკოს, მთლიანი შიდა ასახვის წარმართვაში.ამის უპირატესობა ის არის, რომ წყალი ასევე აშორებს ნამსხვრევებს და აგრილებს მასალას.დამატებითი უპირატესობები ტრადიციული „მშრალი“ ლაზერული ჭრის მიმართ არის კუბების დაჭრის მაღალი სიჩქარე, პარალელური ფრაგმენტი და ყოვლისმომცველი ჭრა.[13]

ბოჭკოვანი ლაზერები არის მყარი მდგომარეობის ლაზერის ტიპი, რომელიც სწრაფად იზრდება ლითონის ჭრის ინდუსტრიაში.CO2-ისგან განსხვავებით, ბოჭკოვანი ტექნოლოგია იყენებს მყარი მომატების საშუალებას, განსხვავებით აირის ან სითხისგან."თესლის ლაზერი" აწარმოებს ლაზერის სხივს და შემდეგ ძლიერდება შუშის ბოჭკოში.ტალღის სიგრძით მხოლოდ 1064 ნანომეტრი, ბოჭკოვანი ლაზერები აწარმოებენ უკიდურესად მცირე ზომის ლაქას (100-ჯერ უფრო პატარას CO2-თან შედარებით), რაც მას იდეალურს ხდის ამრეკლავი ლითონის მასალის ჭრისთვის.ეს არის ბოჭკოს ერთ-ერთი მთავარი უპირატესობა CO2-თან შედარებით.[14]

ბოჭკოვანი ლაზერული საჭრელის უპირატესობები მოიცავს:

სწრაფი დამუშავების დრო.
შემცირებული ენერგიის მოხმარება და გადასახადები - მეტი ეფექტურობის გამო.
მეტი საიმედოობა და შესრულება - არ არის ოპტიკა დასარეგულირებელი ან გასწორებული და ნათურების ჩანაცვლება.
მინიმალური მოვლა.
მაღალი ამრეკლავი მასალების დამუშავების უნარი, როგორიცაა სპილენძი და სპილენძი
უფრო მაღალი პროდუქტიულობა – დაბალი საოპერაციო ხარჯები გთავაზობთ უფრო დიდ ანაზღაურებას თქვენს ინვესტიციაზე.[15]

მეთოდები
ლაზერის გამოყენებით ჭრის მრავალი განსხვავებული მეთოდი არსებობს, სხვადასხვა სახის მასალის ჭრისთვის გამოიყენება.ზოგიერთი მეთოდია აორთქლება, დნობა და აფეთქება, დნობის დარტყმა და დამწვრობა, თერმული სტრესის გატეხვა, დაფქვა, ცივი ჭრა და წვის სტაბილიზებული ლაზერული ჭრა.

აორთქლების ჭრა
აორთქლების ჭრისას ფოკუსირებული სხივი ათბობს მასალის ზედაპირს აალებულ წერტილამდე და წარმოქმნის გასაღების ხვრელს.გასაღების ხვრელი იწვევს შთანთქმის უეცარ ზრდას, რაც ხვრელის სწრაფად გაღრმავებას იწვევს.როგორც ხვრელი ღრმავდება და მასალა ადუღდება, წარმოქმნილი ორთქლი ანადგურებს გამდნარ კედლებს, გამოდის გარეთ და კიდევ უფრო აფართოებს ხვრელს.ამ მეთოდით, როგორც წესი, იჭრება არადნობის მასალები, როგორიცაა ხე, ნახშირბადი და თერმორეფიცირებული პლასტმასი.
დნება და აფეთქება
დნობისა და აფეთქების ან შერწყმის ჭრის დროს გამოიყენება მაღალი წნევის გაზი, რათა ააფეთქოს მდნარი მასალა ჭრის ადგილიდან, რაც მნიშვნელოვნად ამცირებს ენერგიის მოთხოვნილებას.თავდაპირველად მასალა თბება დნობის წერტილამდე, შემდეგ გაზის ჭავლი აფრქვევს გამდნარ მასალას კერფიდან, თავიდან აიცილებს მასალის ტემპერატურის შემდგომი აწევის აუცილებლობას.ამ პროცესით მოჭრილი მასალები, როგორც წესი, ლითონია.

თერმული სტრესის გატეხვა
მტვრევადი მასალები განსაკუთრებით მგრძნობიარეა თერმული მოტეხილობის მიმართ, მახასიათებელი, რომელიც გამოიყენება თერმული სტრესის გატეხვისას.სხივი ფოკუსირებულია ზედაპირზე, რაც იწვევს ლოკალიზებულ გათბობას და თერმულ გაფართოებას.ეს იწვევს ბზარს, რომელიც შემდეგ შეიძლება იხელმძღვანელოს სხივის გადაადგილებით.ბზარი შეიძლება გადაადგილდეს მ/წმ-ის მიხედვით.ჩვეულებრივ გამოიყენება შუშის ჭრისას.

სილიკონის ვაფლის სტელსი ჭრის
დამატებითი ინფორმაცია: ვაფლის კუბიკები
ნახევარგამტარული მოწყობილობის წარმოებაში მომზადებული მიკროელექტრონული ჩიპების გამოყოფა სილიკონის ვაფლებისგან შეიძლება განხორციელდეს ეგრეთ წოდებული სტელსი ჭრის პროცესით, რომელიც მუშაობს იმპულსური Nd:YAG ლაზერით, რომლის ტალღის სიგრძე (1064 ნმ) კარგად არის ადაპტირებული ელექტრონულთან. სილიკონის ზოლის უფსკრული (1.11 ევ ან 1117 ნმ).

რეაქტიული ჭრა
ასევე მოუწოდა "დაწვის სტაბილიზებული ლაზერული გაზის ჭრა", "ცეცხლის ჭრა".რეაქტიული ჭრა ჰგავს ჟანგბადის ჩირაღდნის ჭრას, მაგრამ ლაზერის სხივით, როგორც ანთების წყარო.ძირითადად გამოიყენება ნახშირბადოვანი ფოლადის 1 მმ-ზე მეტი სისქის ჭრისთვის.ეს პროცესი შეიძლება გამოყენებულ იქნას ძალიან სქელი ფოლადის ფირფიტების მოსაჭრელად შედარებით მცირე ლაზერული სიმძლავრით.

ტოლერანტობა და ზედაპირის დასრულება
ლაზერულ საჭრელებს აქვთ პოზიციონირების სიზუსტე 10 მიკრომეტრი და განმეორებადობა 5 მიკრომეტრი.[საჭიროა ციტატა]

სტანდარტული უხეშობა Rz იზრდება ფურცლის სისქესთან ერთად, მაგრამ მცირდება ლაზერული სიმძლავრით და ჭრის სიჩქარით.დაბალნახშირბადოვანი ფოლადის ჭრისას ლაზერული სიმძლავრით 800 ვტ, სტანდარტული უხეშობა Rz არის 10 μm ფურცლის 1 მმ სისქისთვის, 20 μm 3 მმ და 25 μm 6 მმ.

{\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}}}}
სად: {\displaystyle S=}S= ფოლადის ფურცლის სისქე მმ-ში;{\displaystyle P=}P= ლაზერის სიმძლავრე კვტ-ში (ზოგიერთ ახალ ლაზერულ საჭრელს აქვს ლაზერული სიმძლავრე 4 კვტ);{\displaystyle V=}V= ჭრის სიჩქარე წუთში მეტრებში.[16]

ამ პროცესს შეუძლია შეინარჩუნოს საკმაოდ ახლო ტოლერანტობა, ხშირად 0,001 ინჩის (0,025 მმ) ფარგლებში.ნაწილის გეომეტრია და აპარატის მექანიკური სიმტკიცე დიდ კავშირშია ტოლერანტობის შესაძლებლობებთან.ლაზერული სხივის ჭრის შედეგად მიღებული ზედაპირის ტიპიური დასრულება შეიძლება მერყეობდეს 125-დან 250 მიკროინჩამდე (0,003 მმ-დან 0,006 მმ-მდე).[11]

მანქანების კონფიგურაციები

ორმაგი პლატაზე მფრინავი ოპტიკის ლაზერი

მფრინავი ოპტიკის ლაზერული თავი
ზოგადად, სამრეწველო ლაზერული ჭრის მანქანების სამი განსხვავებული კონფიგურაციაა: მოძრავი მასალა, ჰიბრიდული და მფრინავი ოპტიკის სისტემები.ეს ეხება ლაზერის სხივის გადაადგილებას დასაჭრელ ან დასამუშავებელ მასალაზე.ყველა ამისთვის, მოძრაობის ღერძი, როგორც წესი, აღინიშნება X და Y ღერძებზე.თუ საჭრელი თავი შეიძლება კონტროლდებოდეს, იგი ინიშნება როგორც Z-ღერძი.

მოძრავი მასალის ლაზერებს აქვთ სტაციონარული საჭრელი თავი და გადააქვთ მასალა მის ქვეშ.ეს მეთოდი უზრუნველყოფს ლაზერული გენერატორიდან სამუშაო ნაწილამდე მუდმივ მანძილს და ერთ წერტილს, საიდანაც ამოიღება საჭრელი გამონადენი.ეს მოითხოვს ნაკლებ ოპტიკას, მაგრამ მოითხოვს სამუშაო ნაწილის გადაადგილებას.ამ სტილის მანქანას აქვს ყველაზე ნაკლები სხივის მიწოდების ოპტიკა, მაგრამ ასევე არის ყველაზე ნელი.

ჰიბრიდული ლაზერები უზრუნველყოფენ ცხრილს, რომელიც მოძრაობს ერთ ღერძზე (ჩვეულებრივ X ღერძზე) და მოძრაობს თავი უფრო მოკლე (Y) ღერძის გასწვრივ.ეს იწვევს სხივის მიწოდების ბილიკის უფრო მუდმივ სიგრძეს, ვიდრე მფრინავი ოპტიკური მანქანა და შეიძლება დაუშვას სხივის მიწოდების უფრო მარტივი სისტემა.ამან შეიძლება გამოიწვიოს ენერგიის დაკარგვის შემცირება მიწოდების სისტემაში და მეტი სიმძლავრე თითო ვატზე, ვიდრე მფრინავი ოპტიკური მანქანები.

მფრინავი ოპტიკის ლაზერებს აქვთ სტაციონარული მაგიდა და საჭრელი თავი (ლაზერის სხივით), რომელიც მოძრაობს სამუშაო ნაწილზე ორივე ჰორიზონტალურ განზომილებაში.მფრინავი ოპტიკის საჭრელი ინარჩუნებს სამუშაო ნაწილს სტაციონარული დამუშავების დროს და ხშირად არ საჭიროებს მასალის დამაგრებას.მოძრავი მასა მუდმივია, ამიტომ დინამიკაზე გავლენას არ ახდენს სამუშაო ნაწილის განსხვავებული ზომა.მფრინავი ოპტიკის მანქანები ყველაზე სწრაფი ტიპია, რაც ხელსაყრელია თხელი სამუშაო ნაწილების ჭრისას.[17]

მფრინავმა ოპტიკურმა აპარატებმა უნდა გამოიყენონ რაიმე მეთოდი, რათა გაითვალისწინონ სხივის სიგრძის ცვალებადობა ახლო ველიდან (რეზონატორთან ახლოს) ჭრიდან შორეულ ველამდე (რეზონატორისგან შორს) ჭრამდე.ამის კონტროლის საერთო მეთოდები მოიცავს კოლიმაციას, ადაპტირებულ ოპტიკას ან მუდმივი სხივის სიგრძის ღერძის გამოყენებას.

ხუთი და ექვსღერძიანი მანქანები ასევე იძლევა ფორმირებული სამუშაო ნაწილების ჭრის საშუალებას.გარდა ამისა, არსებობს ლაზერის სხივის ფორმის სამუშაო ნაწილზე ორიენტირების სხვადასხვა მეთოდი, სათანადო ფოკუსირების მანძილის შენარჩუნებისა და საქშენების გაჩერება და ა.შ.

პულსირება
პულსირებული ლაზერები, რომლებიც უზრუნველყოფენ ენერგიის მაღალი სიმძლავრის აფეთქებას მოკლე პერიოდის განმავლობაში, ძალიან ეფექტურია ლაზერული ჭრის ზოგიერთ პროცესში, განსაკუთრებით პირსინგისთვის, ან როდესაც საჭიროა ძალიან მცირე ხვრელები ან ძალიან დაბალი ჭრის სიჩქარე, რადგან მუდმივი ლაზერის სხივის გამოყენების შემთხვევაში, სითბოს შეუძლია მიაღწიოს იმ დონეს, რომ დნობის მთელი ნაჭერი.

სამრეწველო ლაზერების უმეტესობას აქვს CW (უწყვეტი ტალღა) პულსის ან ამოჭრის უნარი NC (რიცხობრივი კონტროლი) პროგრამის კონტროლის ქვეშ.

ორმაგი პულსის ლაზერები იყენებენ იმპულსების წყვილების სერიას მასალის ამოღების სიჩქარისა და ხვრელების ხარისხის გასაუმჯობესებლად.არსებითად, პირველი პულსი აშორებს მასალას ზედაპირიდან, ხოლო მეორე ხელს უშლის ამოფრქვევის მიბმას ხვრელის ან ჭრილის მხარეს.[18]