Laser schneiden

Diagramm eines Laserschneiders
Laserschneidvorgang auf einem Stahlblech
CAD (oben) und Edelstahl-Laser-Schnitt-Teil (unten)

Laser schneiden ist eine Technologie, die a verwendet Laser- Materialien verdampfen, was zu einer Schnittkante führt. Während es in der Regel für Anwendungen für industrielle Fertigung verwendet wird, wird es jetzt von Schulen, kleinen Unternehmen, Architektur und Hobbyisten genutzt. Laser Schneiden Arbeitet die Ausgabe eines Hochleistungslasers am häufigsten durch Optik. Das Laseroptik und CNC (Computer Numerical Control) werden verwendet, um den Laserstrahl auf das Material zu lenken. Ein kommerzieller Laser zum Schneiden von Materialien verwendet ein Bewegungssteuerungssystem, um einem CNC oder zu folgen G-Code des Musters auf das Material geschnitten werden. Der fokussierte Laserstrahl richtet sich an das Material, das dann entweder schmilzt, brennt, verdampft weg oder wird von einem Düsenstrahl überwältigt.[1] eine Kante mit einem hochwertigen Oberflächenfinish hinterlassen.[2]

Geschichte

1965 wurde die erste Produktionslaser -Schneidmaschine verwendet bohren Löcher hinein Diamant stirbt. Diese Maschine wurde von der gemacht Western Electric Engineering Research Center.[3] 1967 war das britische Pionier der laserunterstützten Sauerstoffstrahlausschnitte für Metalle.[4] In den frühen 1970er Jahren wurde diese Technologie in Produktion gebracht, um Titan für Luft- und Raumfahrtanwendungen zu schneiden. Gleichzeitig co2 Laser wurden angepasst, um Nichtmetalle zu schneiden, wie z. Textilien, Weil damals Co.2 Laser waren nicht mächtig genug, um das zu überwinden Wärmeleitfähigkeit von Metallen.[5]

Verfahren

Industrielaserschneidung von Stahl mit Schneidanweisungen, die über die CNC -Grenzfläche programmiert sind

Der Laserstrahl wird im Allgemeinen mit einer hochwertigen Linse in der Arbeitszone konzentriert. Das Qualitätsqualität hat einen direkten Einfluss auf die fokussierte Punktgröße. Der engste Teil des fokussierten Strahls ist im Allgemeinen weniger als 0,0125 Zoll (0,32 mm) im Durchmesser. Je nach Materialdicke sind KERF -Breiten von nur 0,004 Zoll (0,10 mm) möglich.[6] Um in der Lage zu sein, an einem anderen Ort als der Kante schneiden zu können, erfolgt ein Pierce vor jedem Schnitt. Das Piercing beinhaltet normalerweise einen pulsierten Hochleistungs-Laserstrahl, der langsam ein Loch im Material herstellt und für 0,5 Zoll dick um etwa 5–15 Sekunden dauert (13 mm). rostfreier Stahl, zum Beispiel.

Die parallelen Strahlen von kohärentem Licht aus der Laserquelle fallen häufig im Bereich zwischen 0,06 und 0,08 Zoll (1,5–2,0 mm) im Durchmesser. Dieser Strahl ist normalerweise fokussiert und durch ein Objektiv oder einen Spiegel zu einem sehr kleinen Fleck von etwa 0,001 Zoll (0,025 mm) intensiviert, um einen sehr intensiven Laserstrahl zu erzeugen. Um das glattste mögliche Finish während des Konturschnitts zu erreichen, die Strahlrichtung Polarisation Muss gedreht werden, wenn es um die Rand eines konturierten Werkstücks geht. Für das Schneiden von Blechsen beträgt die Brennweite normalerweise 38–76 mm (1,5 bis 3 Zoll).[7]

Vorteile des Laserschneids mechanisches Schneiden Fügen Sie eine leichtere Arbeitsplatte und eine verringerte Kontamination des Werkstücks ein (da es keine Schneide gibt, die durch das Material kontaminiert oder das Material kontaminieren kann). Präzision kann besser sein, da der Laserstrahl während des Prozesses nicht abnimmt. Es besteht auch eine reduzierte Chance, das Material zu verzerrten, da Lasersysteme eine kleine hitzebestattete Zone.[8] Einige Materialien sind auch sehr schwierig oder unmöglich mit traditionelleren Mitteln zu schneiden.

Laserschneidung für Metalle hat die Vorteile gegenüber Plasmaabschnitten, genauer zu sein[9] und weniger Energie beim Schneiden von Blech; Die meisten industriellen Laser können jedoch die größere Metalldicke, die Plasma kann, nicht durchschneiden. Neuere Lasermaschinen, die mit höherer Leistung (6000 Watt, im Gegensatz zu den 1500 -Watt -Bewertungen von frühen Laserschneidemaschinen) arbeiten, nähern sich Plasmakemaschinen, um dicke Materialien zu durchschneiden, aber die Kapitalkosten solcher Maschinen sind viel höher als die des Plasma Schneidmaschinen, die dicke Materialien wie Stahlplatte schneiden können.[10]

Typen

4000 Watt co2 Laserschneider

Es gibt drei Haupttypen von Lasern, die beim Laserschnitt verwendet werden. Das CO2 Laser- eignet sich zum Schneiden, Langweilig und Gravur. Das Neodym (ND) und Neodymium Yttrium-Aluminium-Garnet (Nd: yag) Laser sind im Stil identisch und unterscheiden sich nur in der Anwendung. ND wird zum Langweiligen und wo eine hohe Energie, aber eine geringe Wiederholung erforderlich ist. Der ND: YAG -Laser wird dort verwendet, wo sehr hohe Leistung benötigt wird, und für langweiliges und gravierter Gravat. Beide co2 und nd/nd: YAG -Laser können für verwendet werden Schweißen.[11]

CO2 Laser werden üblicherweise "gepumpt", indem ein Strom durch den Gasmix (DC-aufgeregt) oder mit der Funkfrequenzenergie (RF-aufgeregt) geleitet wird. Das RF -Methode ist neuer und ist beliebter geworden. Da DC -Konstruktionen Elektroden im Hohlraum erfordern, können sie die Elektrodenerosion und das Verpacken von Elektrodenmaterial auf die Elektrodenmaterial begegnen Glaswaren und Optik. Da HF -Resonatoren externe Elektroden haben, sind sie nicht anfällig für diese Probleme. CO2 Laser werden zum industriellen Schneiden vieler Materialien verwendet, darunter Titan, Edelstahl, Weichstahl, Aluminium, Kunststoff, Holz, Holz, Wachs, Stoffe und Papier. YAG -Laser werden hauptsächlich zum Schneiden und Schreiben von Metallen und Keramik verwendet.[12]

Zusätzlich zur Stromquelle kann auch die Art des Gasflusss die Leistung beeinflussen. Häufige Varianten von CO2 Zu den Lasern gehören eine schnelle axiale Strömung, langsame axiale Strömung, Querströmung und Platte. In einem schnellen axialen Strömungsresonator wird das Gemisch aus Kohlendioxid, Helium und Stickstoff durch eine Turbine oder ein Gebläse bei hoher Geschwindigkeit zirkuliert. Querströmungslaser zirkulieren den Gasmix in einer niedrigeren Geschwindigkeit und erfordern ein einfacheres Gebläse. Platten- oder diffusion gekühlte Resonatoren haben ein statisches Gasfeld, das keine Druck- oder Glaswaren erfordert, was zu Einsparungen bei Ersatzturbinen und Glaswaren führt.

Der Lasergenerator und die externe Optik (einschließlich des Fokusobjektivs) erfordern eine Abkühlung. Abhängig von der Systemgröße und -konfiguration kann Abwärme von einem Kühlmittel oder direkt auf die Luft übertragen werden. Wasser ist ein häufig verwendetes Kühlmittel, das normalerweise durch ein Kalt- oder Wärmeübertragungssystem zirkuliert.

A Lasermikrojet ist eine Wasser-Jet-Führung Laser- in dem ein gepulster Laserstrahl in einen Wasserstrahl mit niedrigem Druck gekoppelt ist. Dies wird verwendet, um Laserschneidfunktionen bei der Verwendung des Wasserstrahls auszuführen, um den Laserstrahl, ähnlich wie eine optische Faser, durch totale interne Reflexion zu leiten. Die Vorteile davon sind, dass das Wasser auch Trümmer entfernt und das Material abkühlt. Zusätzliche Vorteile gegenüber herkömmlichem "trockenem" Laserschnitt sind hohe Würfungsgeschwindigkeiten, paralleler Kerf und omnidirektionales Schneiden.[13]

Faserlaser sind eine Art Festkörperlaser, der in der Metallschneidindustrie schnell wächst. Im Gegensatz zu CO2Die Fasertechnologie nutzt ein solides Gewinnmedium im Gegensatz zu Gas oder Flüssigkeit. Der „Samenlaser“ erzeugt den Laserstrahl und wird dann in einer Glasfaser verstärkt. Mit einer Wellenlänge von nur 1064 Nanometern erzeugen Faserlaser eine extrem kleine Fleckgröße (bis zu 100 -mal kleiner im Vergleich zum CO2) Es ist ideal, um reflektierendes Metallmaterial zu schneiden. Dies ist einer der Hauptvorteile von Ballaststoffen im Vergleich zu CO2.[14]

Zu den Vorteilen des Faserlaserschneiders gehören:-

  • Schnelle Verarbeitungszeiten.
  • Reduzierter Energieverbrauch & Rechnungen - aufgrund einer höheren Effizienz.
  • Größere Zuverlässigkeit und Leistung - Keine Optik zum Anpassen oder Ausrichten und keine Lampen zu ersetzen.
  • Minimale Wartung.
  • Die Fähigkeit, stark reflektierende Materialien wie Kupfer und Messing zu verarbeiten
  • Höhere Produktivität - niedrigere Betriebskosten bieten eine größere Rendite Ihrer Investition.[15]

Methoden

Es gibt viele verschiedene Methoden beim Schneiden mit Lasern, wobei verschiedene Typen zum Schneiden unterschiedlicher Materialien verwendet werden. Einige der Methoden sind Verdampfungen, Schmelzen und Blasen, Schmelze und Brennen, thermisches Spannungsriss, Schrott, kaltes Schneiden und brennende stabilisierte Laserschnitte.

Verdampfung

Bei der Verdampfung erwärmt das Schneiden des fokussierten Strahls die Oberfläche des Materials zum Flashpoint -Punkt und erzeugt ein Schlüsselloch. Das Schlüsselloch führt zu einer plötzlichen Zunahme von Absorptionsfähigkeit schnell das Loch vertiefen. Wenn sich das Loch vertieft und das Material kocht, erzeugt Dampf die geschmolzenen Wände, die aus dem Auswerfen ausstrecken und das Loch weiter vergrößern. Nicht schmelzendes Material wie Holz-, Kohlenstoff- und Thermoset -Kunststoffe werden normalerweise nach dieser Methode geschnitten.


Schmelzen und blasen

Schmelze und Blasen oder Fusionsschneiden verwendet Hochdruckgas, um geschmolzenes Material aus dem Schneidbereich zu blasen, was den Leistungsbedarf erheblich verringert. Zuerst wird das Material auf Schmelzpunkt erhitzt, dann bläst ein Gasstrahl das geschmolzene Material aus dem Kerf, wodurch die Notwendigkeit vermieden wird, die Temperatur des Materials weiter zu erhöhen. Mit diesem Prozess geschnittene Materialien sind normalerweise Metalle.

Wärmespannungsrisse

Spröde Materialien sind besonders empfindlich gegenüber thermischen Frakturen, ein Merkmal, das bei thermischen Spannungsrissen ausgenutzt wird. Ein Strahl konzentriert sich auf die Oberfläche, die lokalisierte Erwärmung und thermische Ausdehnung verursacht. Dies führt zu einem Riss, der dann durch Bewegen des Strahls geleitet werden kann. Der Riss kann in der Reihenfolge von m/s bewegt werden. Es wird normalerweise zum Schneiden von Glas verwendet.

Stealth -Würfeln von Siliziumwafern

Weitere Informationen: Waferwürfel

Die Trennung von mikroelektronisch Chips wie in vorbereiteten in Herstellung von Halbleitervorrichtungen aus Siliziumscheibe kann durch den sogenannten Stealth-Würfeln durchgeführt werden, der mit einem gepulsten arbeitet Nd: yag laser, deren Wellenlänge (1064 nm) gut an die elektronische Anlage angepasst ist Bandabstand von Silizium (1.11 ev oder 1117 nm).

Reaktives Schneiden

Auch als "brennende stabilisierte Lasergasschneidung", "Flammenausschneiden" genannt. Das reaktive Schneiden ist wie Sauerstoffbrennerschnitt, jedoch mit einem Laserstrahl als Zündquelle. Meistens zum Schneiden von Kohlenstoffstahl in Dicken über 1 mm. Dieser Vorgang kann verwendet werden, um sehr dicke Stahlplatten mit relativ wenig Laserleistung zu schneiden.

Toleranzen und Oberflächenbeschaffung

Laserschneider haben eine Positionierungsgenauigkeit von 10 Mikrometern und eine Wiederholbarkeit von 5 Mikrometern.

Standard Rauheit RZ nimmt mit der Blechdicke zu, nimmt jedoch mit Laserleistung ab und nimmt ab und nimmt ab und nimmt ab und nimmt ab und nimmt ab und nimmt ab Schneidgeschwindigkeit. Beim Schneiden von Kohlenstoffstahl mit Laserleistung von 800 W beträgt die Standardrauheit RZ 10 & mgr; m für eine Blechdicke von 1 mm, 20 & mgr; m für 3 mm und 25 μm für 6 mm.

Wo: Stahlblechdicke in MM; Laserleistung in KW (einige neue Laserschneider haben eine Laserkraft von 4 kW); Geschwindigkeit in Metern pro Minute schneiden.[16]

Dieser Vorgang kann sich ziemlich eng halten Toleranzenoft bis zu 0,025 mm. Die Teilgeometrie und die mechanische Geräusch der Maschine haben viel mit Toleranzfunktionen zu tun. Das typische Oberflächenfinish, der aus dem Laserstrahlschnitt resultiert, kann zwischen 125 und 250 Mikrozeilen (0,003 mm bis 0,006 mm) liegen.[11]

Maschinenkonfigurationen

Dual-Pallet Flying Optics Laser
Flying Optics Laser Head

Es gibt im Allgemeinen drei verschiedene Konfigurationen von industriellen Laserschneidemaschinen: Bewegungsmaterial, Hybrid- und Flugoptiksysteme. Diese beziehen sich auf die Art und Weise, wie der Laserstrahl über das zugeschnittene oder verarbeitete Material bewegt wird. Für all diese sind die Bewegungsachsen typischerweise mit x und y bezeichnet Achse. Wenn der Schneidkopf kontrolliert werden kann, wird er als Z-Achse bezeichnet.

Bewegen materielle Laser haben einen stationären Schneidkopf und bewegen das Material darunter. Diese Methode bietet einen konstanten Abstand vom Lasergenerator zum Werkstück und einen einzelnen Punkt, aus dem das Schneidabwasser entfernen kann. Es erfordert weniger Optik, muss jedoch das Werkstück bewegen. Diese Stilmaschine hat tendenziell die geringste Strahllieferungsoptik, ist aber auch die langsamste.

Hybridlaser liefern eine Tabelle, die sich in einer Achse (normalerweise der x-Achse) bewegt und den Kopf entlang der kürzeren (y) Achse bewegen. Dies führt zu einer konstanteren Strahlleitungspfadlänge als eine fliegende Optikmaschine und kann ein einfacheres Strahlliefersystem ermöglichen. Dies kann zu einem verringerten Stromverlust im Abgabesystem und mehr Kapazität pro Watt führen als fliegende Optikmaschinen.

Flying Optics -Laser verfügen über einen stationären Tisch und einen Schneidkopf (mit Laserstrahl), der sich über das Werkstück in beiden horizontalen Abmessungen bewegt. Fliegungsoptikschneider halten das Werkstück während der Verarbeitung stationär und erfordern häufig keine Materialklemme. Die sich bewegende Masse ist konstant, sodass die Dynamik nicht durch unterschiedliche Größe des Werkstücks beeinflusst wird. Fliegungsoptikmaschinen sind der schnellste Typ, was beim Schneiden dünnerer Werkstücke vorteilhaft ist.[17]

Fliegende Optikmaschinen müssen eine Methode verwenden, um die sich ändernde Strahllänge von Nahfeld (nahe dem Resonator) zu berücksichtigen, das zum Abschneiden des Feldes (weit weg vom Resonator) geschnitten wird. Zu den gemeinsamen Methoden zur Steuerung gehören Kollimation, adaptive Optik oder die Verwendung einer konstanten Strahllängenachse.

Fünf- und Sechs-Achsen-Maschinen Erlauben auch Schneiden gebildete Werkstücke. Darüber hinaus gibt es verschiedene Methoden zur Ausrichtung des Laserstrahls auf ein geformtes Werkstück, wobei ein richtiger Fokusabstand und eine Düsenstandard usw. beibehalten wird.

Pulsierend

Gepulste Laser Dies sorgt für einen kurzen Zeitraum für einen kurzen Zeitraum bei einigen Laserschneidprozessen, insbesondere beim Piercing, und wenn sehr kleine Löcher oder sehr niedrige Schneidgeschwindigkeiten erforderlich sind, da bei Verwendung eines konstanten Laserstrahls der Hitze verwendet wurde Könnte den Punkt erreichen, das das gesamte Stück geschnitten wird.

Die meisten industriellen Laser haben die Fähigkeit, CW (Continuous Wave) unter NC zu pulsieren oder zu schneiden (zu schneidennumerische Kontrolle) Programmkontrolle.

Doppelimpulslaser verwenden eine Reihe von Pulspaaren, um sich zu verbessern Materialentfernungsrate und Lochqualität. Im Wesentlichen entfernt der erste Impuls Material von der Oberfläche, und der zweite verhindert, dass die Ejekta an der Seite des Lochs oder Schnitts haftet.[18]

Energieverbrauch

Der Hauptnachteil des Laserschnitts ist der hohe Stromverbrauch. Die Effizienz der Industrielaser kann zwischen 5% und 45% liegen.[19] Der Stromverbrauch und die Effizienz eines bestimmten Lasers variieren je nach Ausgangsleistung und Betriebsparametern. Dies hängt von der Art des Lasers ab und davon, wie gut der Laser mit der vorliegenden Arbeit übereinstimmt. Die Menge an Laserschneidkraft, die erforderlich ist, als WärmeeingangFür einen bestimmten Job hängt der Materialtyp, die Dicke, der Prozess (reaktiv/inerte) und die gewünschte Schnittrate ab.

Menge an Wärmeeingang, die für verschiedene Materialien in verschiedenen Dicken unter Verwendung eines CO erforderlich ist2 Laser [Watts][20]
Material Materialstärke
0,51 mm 1,0 mm 2,0 mm 3,2 mm 6,4 mm
Rostfreier Stahl 1000 1000 1000 1500 2500
Aluminium 1000 1000 1000 3800 10000
Baustahl - 400 - 500 -
Titan 250 210 210 - -
Sperrholz - - - - 650
Bor/Epoxid - - - 3000 -

Produktions- und Schnittraten

Die maximale Schnittrate (Produktionsrate) wird durch eine Reihe von Faktoren begrenzt, einschließlich Laserleistung, Materialdicke, Prozesstyp (reaktiv oder inert) und Materialeigenschaften. Common Industrial Systems (≥1 kW) schneiden Kohlenstoffstahlmetall aus 0,51 - 13 mm in der Dicke. Für viele Zwecke kann ein Laser bis zu dreißig Mal schneller sein als Standardsägen.[21]

Schnittraten unter Verwendung eines CO2 Laser [CM/Sekunde]
Werkstückmaterial Materialstärke
0,51 mm 1,0 mm 2,0 mm 3,2 mm 6,4 mm 13 mm
Rostfreier Stahl 42.3 23.28 13.76 7.83 3.4 0,76
Aluminium 33.87 14.82 6.35 4.23 1.69 1.27
Baustahl - 8.89 7.83 6.35 4.23 2.1
Titan 12.7 12.7 4.23 3.4 2.5 1.7
Sperrholz - - - - 7.62 1.9
Bor / Epoxid - - - 2.5 2.5 1.1

Siehe auch

Verweise

  1. ^ Oberg, p. 1447.
  2. ^ Thomas, Daniel J. (2013-02-01). "Die Auswirkung von Laserschneidparametern auf die Formbarkeit komplexer Phasenstahl". Das International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 64 (9): 1297–1311. doi:10.1007/s00170-012-4087-2. ISSN 1433-3015. S2CID 96472642.
  3. ^ Bromberg 1991, p. 202
  4. ^ Die frühen Tage von Laser Cutting, Par P. A. Hilton, 11. Nordische Konferenz in der Laserverarbeitung von Materialien, Lappeenranta, Finnland, 20. bis 22. August 2007, http://www.twi-global.com/technical-knowledge/published-papers/thearly-wayss-of-laser-cuting-august-2007
  5. ^ Cheo, P. K. "Kapitel 2: Co.2 Laser. "UC Berkeley. UC Berkeley, N.D. Web. 14. Januar 2015.
  6. ^ Todd, p. 185.
  7. ^ Todd, p. 188.
  8. ^ "Laserschnitt - Schneidenprozesse". www.twi-global.com. Abgerufen 2020-09-14.
  9. ^ Daniel Tuấn, Hoàng (7. Oktober 2020). "Gia công cắt laser trên kim loại với nhiều ưu điểm vượt trội" [Laserschnitt für Metalle mit vielen herausragenden Vorteilen]. viagietucmetal.vn (auf vietnamesisch). Archiviert vom Original am 4. November 2020. Abgerufen 4. November 2020.
  10. ^ Happonen, a.; Stepanov, A.; Piili, H.; Salminen, A. (2015-01-01). "Innovationsstudie zum Laserschnitt komplexer Geometrien mit Papiermaterialien". Physikverfahren. 15. Konferenz für nordische Lasermaterialien, NOLAMP 15. 78: 128–137. Bibcode:2015PhPro..78..128h. doi:10.1016/j.phpro.2015.11.025. ISSN 1875-3892.
  11. ^ a b Todd, p. 186.
  12. ^ "Was ist Laserschnitt? | Laserschneidvorgang". www.cutlasercut.com. Abgerufen 2020-09-14.
  13. ^ Perrottet, D et al., "Wärmeschadenfreier Laser-Microjet-Schneiden erreicht die höchste Stempelfrakturfestigkeit", Photonenverarbeitung in Mikroelektronik und Photonik IVherausgegeben von J. Fieret et al., Proc. Spie Vol. 5713 (Spie, Bellingham, WA, 2005)
  14. ^ "Wie die Faserlasertechnologie mit CO verglichen wird2 - Boss Laser Blog ". Boss Laser Blog. 2017-05-22. Abgerufen 2018-04-24.
  15. ^ Fisher, Adam. "Faserlaser". CTR -Laser.
  16. ^ "Erforschung der Oberflächenrauheit durch Laser, geschnitten von miroslawisch radovanovic und prävagrag Dašić" (PDF).
  17. ^ Caristan, Charles L. (2004). Laserschneidanleitung für die Herstellung. Society of Manufacturing Engineers. ISBN 9780872636866.
  18. ^ Forsman, a; et al. (Juni 2007). "Superpulse Ein Nanosekundenpulsformat zur Verbesserung der Laserbohrungen" (PDF). Photonikspektren. Abgerufen 16. Juni, 2014.
  19. ^ http://www.laserline.de/tl_files/laserline/downloads/broschueren/en/laserline_image_high_power_diode_laser.pdf - Seite 4: "Hohe elektrische/optische Effizienz von bis zu 45%"
  20. ^ Todd, Allen & Alting 1994, p. 188.
  21. ^ "Laser schneiden". Laser. Abgerufen 2016-08-23.

Literaturverzeichnis