برش لیزری یک فناوری نوین است که در این محتوا قصد بررسی چیستی و سیستمهای حاکم بر آن را داریم. دستگاههای برش لیزری صنعت تولید را متحول کردهاند. این دستگاهها قادرند که طرحهای کامپیوتری را در مدت زمانی بسیار کوتاه در متریال مورد نظر ایجاد نمایند.
دستگاه برش لیزری نوعی دستگاه CNC است. CNC مخفف Computer Numerical Controlled میباشد. این نام از این واقعیت ناشی میشود که دستگاه CNC دستورات را از نقشههای دیجیتالی که به یک زبان کامپیوتری ساده تبدیل شدهاند، دریافت می¬نماید. این دستورات زوایا و منحنی¬های طرح مورد نظر را توصیف میکنند.
هنگامی که طراحی در یک برنامه رندر کامپیوتری به پایان رسید، تمام کاری که طراح باید انجام دهد این است که طرح را به دستگاه ارسال کند، مانند ارسال فایل تصویری به یک چاپگر معمولی. دستگاه برش لیزری میتواند این طرحها را در عرض چند دقیقه در قطعه مورد نظر ایجاد نماید.
دستگاه برش لیزری چیست؟
انواع مختلفی از لیزر در دستگاههای برش لیزری مورد استفاده قرار میگیرند که در قسمت بعدی به آنها خواهیم پرداخت. اما به طور کلی تمام دستگاههای برش لیزری به روشی مشابه کار میکنند.
همه چیز با یک منبع لیزری شروع میشود که نور قوی و ثابتی را تولید میکند. این نور میتواند به سرعت و با دقت زیاد تنظیم شود. نور متمرکز شده دستگاه تا زمانی که به یک نقطه خوب برسد، تغییر جهت میدهد. اگر تا به حال با استفاده از نور خورشید و ذره بین آتشی را روشن کرده باشید، در واقع همان اتفاق اساس دستگاه برش میباشد. هنگامی که نور به اندازه کافی متمرکز شود، دمای آن بالا می¬رود و برش در متریال مورد نظر ایجاد میشود.
لیزر معمولاً بر روی یک سیستم دروازهای نصب میگردد. این سیستم به لیزر اجازه میدهد تا در هر نقطهای از محور XY حرکت کند. لذا دستگاه میتواند طرحها را با دقت زیادی بازتولید کند، حتی اگر تعداد زیادی منحنی و زاویه در طرح وجود داشته باشد. گفته میشود، همه لیزرها نمیتوانند سطح یکسانی از جزئیات را تولید کنند. به طور مثال برخی از لیزرها به اندازه کافی قوی نیستند که بتوانند فلز را برش دهند.
سه نوع اصلی از دستگاههای برش لیزر وجود دارد: CO2، کریستال و فیبر. هر کدام نقاط قوت و ضعف خاص خود را دارند.
لیزرهای CO2
لیزرهای CO2 رایجترین نوع دستگاههای برش لیزری هستند، زیرا خرید آنها مقرون به صرفه است، اما به طور گستردهای با فناوری جدیدتر و سریعتر سیستمهای برش لیزر فیبری جایگزین میشوند. در لیزر CO2 یک لوله طولانی مهر و موم شده وجود دارد که مملو از گاز است، این گاز عمدتاً دی اکسید کربن (CO2)، با مقداری نیتروژن مخلوط شده میباشد. هنگامی که این لوله دارای بار الکتریکی میشود، مولکولهای گاز را تحریک میکند و نور نیرومندی را ایجاد مینماید. این نور از یک سر لوله خارج میشود و در سری دیگر منعکس میگردد. این سریهای آینه مانند نور را از طریق یک لنز فوکوس به یک نقطه هدایت میکنند. سپس لیزر میتواند طیف وسیعی از مواد را از طریق جداسازی حرارتی برش دهد.
لیزرهای CO2 عمدتاً برای ساخت ورق فلز استفاده میشوند و مزیت اصلی آنها نسبت به لیزرهای فیبر این است که به طور کلی کیفیت لبههای بهتری را در برشها ارائه میدهند، به خصوص در فلزات ضخیمتر از 0.25 اینچ.
دستگاههای برش لیزر چگونه کار میکنند؟
لیزرهای کریستال (Ruby، Nd و Nd-YAG).
برخلاف لیزر CO2، لیزر کریستال یک لیزر حالت جامد است که از یک کریستال مصنوعی به عنوان محیط لیزر استفاده میکند. محبوبترین کریستال مورد استفاده در این روش YAG Y3Al5O12 میباشد. در این کریستال، یونهای Nd جایگزین یونهای Y در ساختار بلوری میگردند. انتهای میله YAG با مواد بسیار بازتابنده که به عنوان سیستم تشدید کننده عمل میکنند، صیقل داده شده است.
پمپاژ لیزر با فلاش لامپهای کریپتون یا دیودهای لیزری به دست میآید. این پمپاژ یونهای Nd را به سطوح انرژی بالاتر تحریک میکند. پس از مدتی کوتاه، یونهای Nd برانگیخته شده به حالت پایینتر و پایدارتر حرکت میکنند، بدون اینکه فوتون ساطع نمایند. این فرایند تا زمانی ادامه مییابد که محیط با یونهای Nd برانگیخته پر شود. یونهای Nd از حالت فراپایدار خود، نور مادون قرمز با طول موج 1064 نانومتر آزاد میکنند.
لیزرهای فیبر در اصل مشابه با چراغهای فیبر نوری کار میکنند. نور وارد یک لوله شیشهای میشود که با نوع دیگری از شیشه با خواص بازتابی متفاوت پوشانده شده است. این ویژگی باعث میشود که نور به سمت لوله جهش پیدا کند و قدرت نور را در طول مسیر تقویت شود. خواص این نور به آن اجازه میدهد تا به راحتی توسط مواد بازتابنده مانند فلز جذب گردد.
ماهیت فیبر نوری همچنین به لیزر اجازه میدهد تا قطرش را به میزان زیادی کاهش دهد. این بدان معناست که با این دستگاههای برش لیزر میتوان به سطح بالایی از جزئیات دست یافت. لذا لیزرهای فیبر کم وات کوچک برای پروژههای حکاکی ایده آل هستند.
لیزرهای فیبر قوی برای برش فلز استفاده میشوند. امروزه نمونههایی از لیزرهای فیبری وجود دارند که میتوانند تا 2 اینچ مواد را برش دهد.
لیزرهای کریستال
آرکا لیزر یکی از شرکتهای ارائه دهنده خدمات برش لیزری میباشد که با به کار گیری پیشرفتهترین دستگاههای روز دنیا به مشتریان خود خدمات متعددی ارائه میدهد. اگر استفاده از دستگاههای برش لیزری کار را برای تولید کنندگان راحت کردهاند اما نباید فراموش کرد که کماکان کار کردن با آنها و ایجاد برشهای مختلف نیاز به تخصص و مهارت دارد.
روشهای برش لیزری
در ادامه به بررسی انواع روشهای مورد استفاده در دستگاههای برش لیزری میپردازیم.
تصعید
تصعید فرایند تبدیل ماده¬ی جامد به بخار بدون تبدیل شدن به مایع میباشد. همین اصل در برش لیزری نیز اعمال میگردد. در لیزرهایی که با این روش کار می¬کنند برش با ایجاد یک سوراخ اولیه آغاز میشود. در کرف، قابلیت جذب بیشتری وجود دارد که باعث میشود مواد سریعتر تبخیر شوند. این تبخیر ناگهانی بخاری با فشار بالا ایجاد میکند. در نتیجه دیوارههای پوسته فرسایش بیشتری می¬یابند. که سوراخ ایجاد شده را بزرگتر و عمیق¬تر می¬نماید. این فرایند برای برش پلاستیک، منسوجات، چوب، کاغذ و فوم مناسب می¬باشد که تنها به مقدار کمی انرژی برای تبخیر شدن نیاز دارند.
ذوب شدن
انرژی مورد نیاز در این روش حدود یک دهم برشهای لیزری تصعید کننده است. در این فرایند، اشعه لیزر مواد را گرم میکند و باعث ذوب شدن آن¬ها میشود. با ذوب شدن مواد، یک جت گاز از نازل کواکسیال با کمک پرتو لیزر، مواد را از برش خارج میکند. گازهای کمکی مورد استفاده بی اثر یا بدون واکنش هستند (به عنوان مثال، هلیوم، آرگون و نیتروژن).
برش لیزری واکنشی
در این فرایند از یک گاز واکنش پذیر برای تولید گرمای بیشتر از طریق واکنش با ماده استفاده میشود. این فرایند با ذوب مواد با پرتو لیزر آغاز میشود. با ذوب شدن مواد، جریانی از گاز اکسیژن از نازل کواکسیال خارج میشود که سپس با فلز مذاب واکنش میدهد. واکنش بین فلز و اکسیژن یک فرایند گرمازا است. این گرما به ذوب شدن مواد کمک میکند. اکسیدهای مذاب فلزات با فشار جت اکسیژن دفع میشوند.
شکستگی حرارتی
این فرایند شامل وارد کردن یک کرف کوچک در عمق حدود یک سوم ضخامت ماده با استفاده از لیزر است. سپس از لیزر برای القای تنش¬های موضعی استفاده میشود. در برخی از طرحها، خنک کنندهها برای کمک به ایجاد تنش حرارتی استفاده میشوند. هنگامی که این تنش های القا شده به سطوح شکست میرسند، ترک منتشر و باعث جدا شدن میشود. حرکت پرتو لیزر این جداسازی را به صورت کنترل شده هدایت میکند. این روش معمولاً به توان کمتری نسبت به تبخیر لیزری با سرعت برش بهتر نیاز دارد.
مخفی کاری
این یک فناوری برش لیزری است و در برش ویفرهای نیمه هادی و قطعات سیستمهای میکرو الکترومکانیکی یا MEMS استفاده میشود. در این نوع برش، کرف اولیه در یک نقطه داخلی از مواد ایجاد میشود.
روشهای برش لیزری
