Резање ласером

Поређење ЦАД (енгл. Computer Aid Design) технологије и нерђајући челик резан ласером (доле)

Резање ласером је технологија која користи ласер за резање материјала, и углавном се користи за индустријску примену, али све чешће се користи и у школама, малим предузећима и код хобиста. Резање ласером ради тако да се директно контролише излазна снага ласера, делујући обично компјутером. Материјал се или топи, или изгара, или испарава, или га одува млаз ваздуха под притиском, остављајући високо квалитетне рубове реза. Не режу се само лимови, него и профили и цеви. Машинска обрада ласерским снопом је најпогоднија за ломљиве материјале ниске продљивости, мада се може користити на већини материјала.

Врсте ласера

Код резања ласером користе се 3 врсте ласера. CO₂ ласер је погодан за резање, бушење и гравирање. Nd ласер и Nd:YAG ласери су слични ласери, а разликују се по примени. Nd ласер се користи за бушење, где је потребна велика снага, али с мало понављања. Nd:YAG ласер се користи за велике снаге код бушења и гравирања, с великим бројем понављања. Сви ови ласери се могу користити и код заваривања.

CO₂ ласери обично за ласерску пумпу користе пролаз електричне струје кроз мешавину гаса (једносмерна струја) или кориштењем радио фреквентне енергије, која је новија метода. Будући да побуда са истосмерном струјом, захтева да се електроде налазе унутар оптичког резонатора, може доћи до трошења електрода и до стварања наслага материјала с електрода на стаклу и огледалима. Зато се и почело са кориштењем радио фреквенције, да се избјегну ти проблеми.

CO₂ ласери се користе у индустрији за резање многих материјала: меки челик, алуминијум, нерђајући челик, титанијум, папир, восак, дрво и тканине. YAG ласери се првенствено користе за резање и означавање метала и керамике.

Резање ласера на комаду лима

Осим извора снаге, за карактеристике рада може утицати и начин мешања и протока гаса унутар оптичког резонатора. Код брзих аксијалних протока, мешавина углен-диоксида, хелијума и азота, кружи са великим брзинама, погоњена турбином или вентилатором. Код попречног тока, мешавина ваздуха се меша с мањим брзинама и за то треба мањи вентилатор. Код новијих решења, имамо дифузионо хлађење са статичким пољем споља, тако да се штеди на одржавању и замени делова.

Стварање ласерских зрака и вањска оптика (укључујући и фокусне леће), захтевају хлађење. Зависно од величине и распореда, огромна количина топлоте треба бите одведена са расхладним средством. Најбоље решење је вода, у затвореном расхладном систему.

Ласерски медијум	Примена
CO2	Бушење Резање/означавање, гравирање
Nd	Високо енергетски импулси Мала брзина понављања (1 kHz) Бушење
Nd-YAG	Врло високи енергетски импулси Бушење, гравирање, подешавање

Ласерски микромлаз воде

Индустријско резање ласером челика на CNC алатном строју

Ласерски микромлаз воде је врста ласера, код којег импулсни ласерски зрак делује заједно са млазом воде, под малим притиском. Предност је што млаз воде одстрањује остатке материјала након резања, има велику брзину резања плочица, паралелан рез и могућност резања у више смерова.

Поступак резања

Код резања плазмом, обично је дебљина ласерског зрака мања од 0,3 мм, а могуће је остварити дебљину резања и мању од 0,1 мм. Код резања треба напоменути да прво треба избушити рупу кроз материјал, а за то се користи велика снага ласера, и траје обично 5 до 15 секунди, за 14 мм дебљине лима од нерђајућег челика.

Ласерски излазни зрак је паралелан и дебљине од 1,5 до 12,5 мм, а затим се фокусира са лећама и огледалима на веома малу тачку, понекад до 0,025 мм, да се створи ласерски зрак великог интензитета. Да би се остварила мала површинска храпавост на материјалу, ласерски зрак је потребно поларизирати.

Резање испаравањем

Код резања испаравањем, фокусиран зрак гре материјал до тачке испаравања, стварајући мало сужење. То сужење постаје све дубље, будући се материјал који испарава одстрањује идувавање. Овај метод се користи за дрво, угљеник и термопластике.

Топљење и издувавање

Овај метод користи гас под великим притиском за издувавање отопљеног материјала, са места резања, знатно смањујући потребну снагу за ласер. Том методом се обично режу метали.

Топлотно пуцање

Стакло је веома осетљиво на топлотне ломове, па се ласерски зрак фокусира на површину, стварајући топлоту на малој површини, све док се не појави лом. Затим се лом води са ласерским зраком повећаном брзином.

Одвајање танких плочица

Одвајање танких плочица полупроводника се врши са Nd:YAG ласером, који има радну таласну дужину 1064 нм, која је прилагођена спектралној линији силицијума (1,11 eV или 1117 nm).

Резање пламеном

Тај поступак је сличан класичном гасном резању са кисеоником и ацетиленом, и обично се користи за челицне лимове дебље од 1 мм. Могу се резати и врло дебели лимови, са релативно малом снагом ласера.

Толеранције и површинска обрада

Нове генерације ласера имају тачност позиционирања и резања до 0,01 мм. Стандардна површинска храповост се повећава са дебљином лима, али се смањује што је већа снага ласера и брзина резања. Тако на пример, ако се реже са ласером снаге 800 W, стандардна храпавост површине R_z је за 1 мм лим 10 μм, за лим 3 мм је 20 μм, а за лим 6 мм је 25 μм. Може се користити формула:

R_z = 12,528 x(S^0.542) x (P^0,528) x (V^0,322) [μm]

Гдје је S – дебљина лима (мм), P – снага ласера (kW) и V – брзина резања (м/мин)

Резање плазмом може одржати веома добре толеранције обраде, мање од 0,025 мм. Паралелност површине након обраде радног комада може бити између 0,003 до 0,006 мм.

Резање плазмом са кретањем ласерске главе

Поставке алатног строја

Код резања плазмом углавном постоје 3 поставке: кретање радног комада, мешано кретање и кретање ласерске главе. Уобичајено је да се глава за резање означава са З осом, док су остале осе радног комада, X и Y оса.

Код кретања радног комада, ласерска глава за резање је непомична. Таква поставка је једноставна, али је и резање плазмом најспорије. Код мешаног кретања, радни комад се креће обично по дужој X оси, док се ласерска глава креће по краћој Y оси, па даје брже резање. Када се ласерска глава само креће, добивају се највеће брзине резања, радни комад мирује и углавном није потрено стезање. Код најновијих генерација ласерског резања, могуће је одржавати цело време исту удаљеност између ласерске главе и радног комада, што даје најбоље резултате.

Предности и недостаци

Предност резања ласером, у односу на клачицно механичко резање, је пре свега у једноставнијем стезању радног комада и смањује се промена структуре материјала радног комада, јер код механичког резања, алат за резање и радни комад су у додиру. Прецизност резања је боља, будући се ласерски зрак не троши с временом. Смањена је и деформација радног комада након резања, а резање ласером ствара и малу зону утицаја топлине (ЗУТ), где долази до промене структуре материјала и механичких својстава. Неке материјале је готово немогуће резати на традиционални начин.

Резање ласером у односу на резање плазмом даје већу прецизност и троши мање енергије када се режу лимови, али резање плазмом омогућује резање дебљих лимова. Новије генерације су врло близу резању плазмом, што се тиче дебљине лима, али су и такве машине скупље.

Главни недостатак резања плазмом је велика потрошња енергије. Индустријски ласери имају ступањ ефикасности од 5 до 15%.

Количина унесене топлине за различите материјале и дебљине са CO₂ ласером (W)

Материјал	Дебљина материјала (мм)
	0,5	1	2	35	6
Нехрђајући челик	1000	1000	1000	500	250
Алуминијум	1000	1000	1000	3800	10000
Меки челик	-	400	-	500	-
Титанијум	250	210	210	-	-
Иверица	-	-	-	-	650
Бор/епокси	-	-	-	3000	-

Продуктивност

За стандардне индустријске процесе, као што је снага машине 1 кW и резање лимова од 1 до 2 мм, резање ласером може бити и до 30 пута брже, у односу на класичне машине за резање.

Брзина резања за различите материјале и дебљине са CO₂ ласер [инцх/мин]

Материјал радног комада	Дебљина материјала
	0,02	0,04	0,08	0,125	0,25	0,5	инцх
	0,508	1,016	2,032	3,175	6,35	12,7	мм
Нерђајући челик	1000	550	325	185	80	18
Алуминијум	800	350	150	100	40	30
Меки челик	-	210	185	150	100	50
Титанијум	300	300	100	80	60	40
Иверица	-	-	-	-	180	45
Бор/епокси	-	-	-	60	60	25

Историјске чињенице

Године 1965. се почео користити ласер за бушење дијаманта. Ту машину је направио Западни истраживачки центар електирчног инжењерства. Године 1967. у Великој Британији се почео користити кисеоник за помоћ код резања метала. У 1970-тим се уводи ласерско резање за титанијум, у авионској индустрији. У то време, CO₂ ласер се прилагодио за резање и неметалних материјала, као што је текстил.

Види још

• Грађа ласера
• Попис основних врста ласера
• Резање плазмом
• Резање воденим млазом

Литература

• Бромберг, Јоан (1991). Тхе Ласер ин Америца, 1950-1970. МИТ Пресс. ИСБН 978-0-262-02318-4. 
• Оберг, Ерик; Јонес, Франклин D.; Хортон, Холброок L.; Рyффел, Хенрy Х. (2004). Мацхинерy’с Хандбоок (27тх изд.). Неw Yорк, НY: Индустриал Пресс Инц. ИСБН 978-0-8311-2700-8. 
• Тодд, Роберт Х.; Аллен, Делл К.; Алтинг, Лео (1994). Мануфацтуринг Процессес Референце Гуиде. Индустриал Пресс Инц. ИСБН 978-0-8311-3049-7. 
• Боватсек, Јим; Тамханкар, Асхwини; Пател, Рајесх (1. 11. 2012). „Ултравиолет ласерс: УВ ласерс импрове ПЦБ мануфацтуринг процессес”. Ласер Фоцус Wорлд. Приступљено 20. 7. 2014. 
• Меиер, Диетер Ј.; Сцхмидт, Степхан Х. (2002). „ПЦБ Ласер Тецхнологy фор Ригид анд Флеx ХДИ – Виа Форматион, Струцтуринг, Роутинг” (ПДФ). ЛПКФ Ласер анд Елецтроницс. Архивирано из оригинала (ПДФ) 17. 12. 2015. г. Приступљено 20. 7. 2014. 
• Ган, Е.К.W.; Зхенг, Х.Y.; Лим, Г.C. (2000). „Ласер дриллинг оф мицро-виас ин ПЦБ субстратес”. дои:10.1109/ЕПТЦ.2000.906394. 
• Кестенбаум, А.; D'Амицо, Ј.Ф.; Блуменстоцк, Б.Ј.; ДеАнгело, M.А. (1990). „Ласер дриллинг оф мицровиас ин епоxy-гласс принтед цирцуит боардс”. дои:10.1109/33.62548. 
• Пауло, Давим (2013). Нонтрадитионал Мацхининг Процессес: Ресеарцх Адванцес. Спрингер. ИСБН 978-1447151784. 
• Амитабх Гхосх анд Асок Кумар Маллик (2010). „Унцонвентионал Мацхининг Процессес”. Мануфацтуринг Сциенце (2нд изд.). Еаст-wест пресс. стр. 396—403. ИСБН 978-81-7671-063-3. ЦС1 одржавање: Употреба параметра аутори (веза)

Спољашње везе

• Laser cutting steel parts for a miniature Live steam locomotive
• Laser Glass Cutting Good Further Information Resource with White Paper
• Laser Cutting and Laser Drilling TRUMPF's page with good information.
• Laser Cutting Articles The Fabricator's list of laser cutting articles.
• Laser Microjet, a large amount of documentation from the industry