بررسی دستگاه‌های برش لیزر: «ابزار جادویی» در حوزه برش

کاوشماشین‌های برش لیزری«ابزار جادویی» در حوزه برش

I. مبانی نظری تولید لیزر

منشأ نظری فناوری برش لیزری را می‌توان به نظریه گسیل القایی که توسط آلبرت انیشتین در سال ۱۹۱۶ ارائه شد، ردیابی کرد. این نظریه بیان می‌کند که در اتم‌های تشکیل‌دهنده ماده، تعداد متفاوتی از ذرات (الکترون‌ها) در سطوح انرژی مختلف توزیع شده‌اند. هنگامی که ذرات در سطح انرژی بالا توسط یک فوتون خاص تحریک می‌شوند، از یک سطح انرژی بالا به یک سطح انرژی پایین منتقل می‌شوند و نوری با همان ماهیت نور محرک ساطع می‌کنند. تحت شرایط خاص، یک نور ضعیف می‌تواند یک نور قوی را تحریک کند.—پدیده‌ای که به عنوان تقویت نور توسط گسیل القایی تابش یا به اختصار لیزر شناخته می‌شود.

لیزرها چهار ویژگی اصلی دارند: روشنایی بالا، جهت‌گیری بالا، تک‌رنگی بالا و همدوسی بالا. از نظر روشنایی بالا، روشنایی لیزرهای حالت جامد می‌تواند تا 10 برابر برسد.¹¹عرض/سانتی‌متر²·وقتی یک پرتو لیزر با روشنایی بالا توسط یک لنز متمرکز می‌شود، دمایی بین هزاران تا ده‌ها هزار درجه سانتیگراد در نزدیکی نقطه کانونی ایجاد می‌کند که امکان پردازش تقریباً همه مواد را فراهم می‌کند. جهت‌گیری بالا به لیزر اجازه می‌دهد تا مسافت‌های طولانی را به طور مؤثر طی کند و در عین حال چگالی توان بسیار بالایی را هنگام تمرکز حفظ کند.—دو شرط اساسی برای پردازش لیزری. تک‌رنگی بالا تضمین می‌کند که پرتو می‌تواند دقیقاً متمرکز شود تا به چگالی توان استثنایی دست یابد. انسجام بالا عمدتاً رابطه فاز بین بخش‌های مختلف موج نور را توصیف می‌کند.

بر اساس این خواص خارق‌العاده، لیزرها به طور گسترده در پردازش صنعتی و بسیاری از زمینه‌های دیگر مورد استفاده قرار گرفته‌اند که منجر به اختراع دستگاه برش لیزری شده است.—دستگاهی که از انرژی حرارتی پرتو لیزر برای انجام برش استفاده می‌کند.

دوم. اصول برش خاص

دستگاه برش لیزری مواد را با استفاده از پرتو لیزر پردازش می‌کند. این دستگاه ماده را از طریق پرتو لیزر با چگالی انرژی بالا تا بالاتر از نقطه تصعید یا ذوب خود گرم می‌کند تا برش انجام شود. این فرآیند شامل مراحل زیر است:

تولید پرتو لیزر توسط ژنراتور لیزر ژنراتور لیزر یک پرتو لیزر با انرژی بالا و بسیار متمرکز تولید می‌کند. انواع رایج لیزر شامل CO2 است.₂لیزرها، لیزرهای فیبری و لیزرهای حالت جامد.

هدایت و تمرکز پرتو لیزر اجزای نوری مانند لنزها یا آینه‌ها مسیر پرتو را کنترل می‌کنند، آن را به یک نقطه با قطر کوچک هدایت و متمرکز می‌کنند تا انرژی در یک ناحیه کوچک متمرکز شود.

جذب انرژی لیزر توسط مواد هنگامی که پرتو لیزر به سطح ماده تابیده می‌شود، ماده انرژی لیزر را جذب می‌کند. میزان جذب در مواد مختلف متفاوت است؛ برخی از فلزات جذب لیزر بالایی دارند.

گرمایش، ذوب یا تبخیر مواد چگالی انرژی بالای لیزر به سرعت ماده را تا دمای ذوب یا تبخیر آن گرم می‌کند. از آنجایی که ذوب یا تبخیر مقادیر زیادی گرما مصرف می‌کند، برش حاصل می‌شود.

تزریق گاز کمکی در طول برش، گازهای کمکی (نیتروژن، اکسیژن، گازهای بی‌اثر و غیره) معمولاً از طریق یک نازل به بیرون پاشیده می‌شوند. این گازها از ناحیه برش محافظت می‌کنند، مواد مذاب را به بیرون می‌پاشند و به افزایش سرعت برش کمک می‌کنند.

سیستم کنترل حرکت دستگاه‌های برش لیزری مجهز به یک سیستم کنترل حرکت هستند که سر برش را در امتداد یک مسیر از پیش تعیین‌شده روی سطح ماده هدایت می‌کند. تحت کنترل برنامه کامپیوتری، اشکال پیچیده را می‌توان با دقت برش داد.

روش‌های رایج برش لیزری

برش تبخیر لیزری ماده در حین برش تبخیر می‌شود. یک پرتو لیزر با چگالی انرژی بالا، قطعه کار را در مدت زمان بسیار کوتاهی تا نقطه جوش خود گرم می‌کند و بخاری تشکیل می‌دهد که به سرعت خارج می‌شود و یک بریدگی ایجاد می‌کند. این روش به توان و چگالی توان بسیار بالایی نیاز دارد و عمدتاً برای فلزات و غیرفلزات بسیار نازک مانند کاغذ، پارچه، چوب، پلاستیک و لاستیک استفاده می‌شود.

برش لیزری مذاب: لیزر فلز را تا حالت مذاب گرم می‌کند، سپس گازهای غیر اکسید کننده (Ar، He، N)₂و غیره) هم محور با پرتو، فلز مایع را تحت فشار بالا به بیرون می‌دمد تا یک بریدگی ایجاد شود. از آنجایی که تبخیر کامل ضروری نیست، مصرف انرژی تنها حدود 10٪ از برش تبخیری است. این روش برای فلزات غیر اکسید شونده یا واکنش‌پذیر از جمله فولاد ضد زنگ، تیتانیوم، آلومینیوم و آلیاژهای آنها مناسب است.

برش اکسیژن لیزری (برش مذاب اکسیداتیو) مشابه برش اکسی استیلن، لیزر به عنوان منبع پیش گرمایش عمل می‌کند در حالی که اکسیژن یا سایر گازهای واکنش‌پذیر به عنوان واسطه برش عمل می‌کنند. گاز به صورت اکسیداتیو با فلز واکنش می‌دهد، گرمای زیادی آزاد می‌کند و اکسیدهای مذاب را به بیرون می‌راند تا یک بریدگی ایجاد شود. به دلیل واکنش اکسیداسیون گرمازا، نیاز به انرژی تنها 50٪ از برش مذاب است و سرعت بسیار بالاتری دارد. این روش به طور گسترده برای فلزات اکسید شونده مانند فولاد کربنی، فولاد تیتانیوم و فولاد عملیات حرارتی شده استفاده می‌شود.

III. مزایای قابل توجه دستگاه‌های برش لیزری

1. دقت برش بالا

به لطف نقطه لیزر کوچک، پرانرژی و سریع، برش‌دهنده‌های لیزری دقت فوق‌العاده‌ای ارائه می‌دهند. شیار باریک است و دیواره‌های جانبی موازی و عمود بر آن، دقت ابعادی بالایی را تضمین می‌کنند. سطح برش صاف و جذاب است و زبری سطح آن تنها چند ده میکرومتر است. در بسیاری از موارد، برش لیزری به عنوان فرآیند نهایی عمل می‌کند و قطعات بدون ماشینکاری بیشتر، آماده استفاده مستقیم هستند.

ناحیه متاثر از حرارت (HAZ) بسیار باریک است و خواص اولیه ماده را در اطراف بریدگی حفظ کرده و تغییر شکل حرارتی را به حداقل می‌رساند. سطح مقطع بریدگی تقریباً یک مستطیل استاندارد است. این دقت در صنعت الکترونیک برای ماشینکاری قطعات فلزی/پلاستیکی، محفظه‌ها و بردهای مدار بسیار مهم است.

2. راندمان برش بالا

برش لیزری به دلیل ویژگی‌های انتقال لیزر بسیار کارآمد است. اکثر ماشین‌ها از سیستم‌های کنترل CNC استفاده می‌کنند که امکان اتوماسیون کامل را فراهم می‌کند. اپراتورها فقط باید برنامه‌های CNC را برای سازگاری با هندسه‌های مختلف قطعات تغییر دهند و از برش دوبعدی و سه‌بعدی پشتیبانی کنند. در کارخانه‌های تولیدی بزرگ، چندین ایستگاه کاری CNC می‌توانند چندین قطعه را به طور همزمان پردازش کنند. تعویض سریع برنامه برای دسته‌ها و شکل‌های مختلف، تغییرات و تنظیمات پیچیده ابزار را از بین می‌برد و کارایی تولید انبوه را تا حد زیادی بهبود می‌بخشد.

۳. سرعت برش سریع

برش لیزری به طور قابل توجهی سریع‌تر از روش‌های سنتی مانند برش پلاسما است، به خصوص برای ورق‌های نازک. به عنوان مثال، برخی از برش‌دهنده‌های لیزری صنعتی با سرعتی ۳۰۰٪ بالاتر از برش‌دهنده‌های پلاسما کار می‌کنند. از آنجایی که نیازی به گیره نیست، هزینه‌های مربوط به فیکسچر و زمان بارگیری/تخلیه کاهش می‌یابد و ظرفیت کلی تولید افزایش می‌یابد. در صنعت خودرو،برش دهنده های لیزر فیبری پرقدرتمی‌تواند بهره‌وری فولاد با استحکام بالا را پنج برابر افزایش دهد، چرخه‌های تولید را کوتاه کند و رقابت‌پذیری بازار را افزایش دهد.

۴. پردازش غیرتماسی

برش لیزری بدون تماس است، بنابراین سر برش هرگز قطعه کار را لمس نمی‌کند. این امر باعث کاهش سایش ابزار می‌شود؛ برای قطعات مختلف نیازی به تعویض نازل نیست.—فقط تنظیمات پارامتر. این فرآیند صدای کم، لرزش حداقل و بدون آلودگی ایجاد می‌کند و یک محیط کاری راحت و سازگار با محیط زیست ایجاد می‌کند. برای مواد شکننده یا قطعات با دقت بالا، برش غیر تماسی از آسیب و تغییر شکل سطح جلوگیری می‌کند و کیفیت و بازده بالای محصول را تضمین می‌کند.

۵. سازگاری گسترده با مواد

برش‌دهنده‌های لیزری طیف وسیعی از مواد را پردازش می‌کنند: فلزات، غیرفلزات، کامپوزیت‌ها، چرم، چوب و موارد دیگر. سازگاری بر اساس خواص حرارتی و جذب لیزر متفاوت است:

فولاد ضد زنگ، فولاد کربنی و غیره، به طور موثر از طریق برش مذاب یا برش اکسیژنی بریده می‌شوند.

غیرفلزاتی مانند پلاستیک و چوب برای برش تبخیری ایده‌آل هستند.

کامپوزیت‌ها را می‌توان با توجه به ویژگی‌هایشان به طور دقیق برش داد.

این تطبیق پذیری، برش دهنده های لیزری را در صنایع تولیدی ضروری می کند.

6. عملیات آسان

برش دهنده های لیزری مدرندارای کنترل عددی کامپیوتری و عملکرد از راه دور است. پس از وارد کردن نقشه‌های برش، دستگاه به طور خودکار با فشردن کلیدهای ساده کار می‌کند و هزینه‌های نیروی کار را کاهش می‌دهد. بسیاری از مدل‌ها شامل بارگیری/تخلیه خودکار برای به حداقل رساندن دخالت دست هستند. حتی در کارگاه‌های کوچک، اپراتورها می‌توانند پس از آموزش کوتاه، سیستم را به طور کامل یاد بگیرند، به طوری که یک نفر می‌تواند به طور همزمان بر چندین دستگاه نظارت داشته باشد.

۷. هزینه‌های عملیاتی و نگهداری پایین

برش‌دهنده‌های لیزری هزینه‌های استفاده و نگهداری نسبتاً کمی دارند. زمان کمتر صرف شده برای نگهداری به معنای زمان بیشتر برای تولید، بهبود خروجی و مزایای اقتصادی است.—به ویژه برای شرکت‌های کوچک و متوسط ​​مفید است. علیرغم سرمایه‌گذاری اولیه بالاتر، راندمان بالا هزینه‌های پردازش هر واحد را در تولید انبوه کاهش می‌دهد، رقابت‌پذیری کلی هزینه‌ها را تقویت می‌کند و از توسعه پایدار حمایت می‌کند.

IV. ساختار اصلی دستگاه‌های برش لیزر

1. ساختار قاب اصلی

میزبان شامل تخت و میز کار است.

بستر باز: ساختار ساده، مناسب برای بارگیری/تخلیه قطعه کار، مناسب برای قطعات کوچک یا طرح بندی های جمع و جور.

بستر بسته: استحکام بالا، به طور گسترده در برش‌دهنده‌های لیزری بزرگ برای مقاومت در برابر نیروهای برش و تضمین پایداری و دقت استفاده می‌شود.

میز کار، قطعه کار را نگه می‌دارد و معمولاً از چندین انگشته یا گوی برای پشتیبانی استفاده می‌کند. دستگاه‌های موقعیت‌یابی جانبی و گیره، تراز دقیق و تثبیت محکم را در حین برش تضمین می‌کنند و کیفیت برش را تضمین می‌کنند.

۲. سیستم قدرت

سیستم قدرت از موتورهای الکتریکی به عنوان منبع تغذیه استفاده می‌کند و انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند. شفت خروجی به اجزای انتقال قدرت مانند چرخ دنده‌ها، تسمه‌ها یا زنجیر متصل می‌شود و نیروی محرکه را به قطعات متحرک منتقل می‌کند و حرکت کنترل شده را طبق الزامات فرآیند امکان‌پذیر می‌سازد.

۳. سیستم انتقال قدرت

برش‌دهنده‌های لیزری CNC معمولاً از یک سیستم کنترل نیمه‌بسته برای برآورده کردن الزامات دقت موقعیت‌یابی (عموماً <0.05 میلی‌متر/300 میلی‌متر) استفاده می‌کنند. محرک‌های رایج شامل موتورهای سروو DC یا AC، به‌ویژه موتورهای DC با اینرسی بالا و قابل تنظیم سرعت با مدولاسیون پهنای پالس (PWM) یا موتورهای سروو AC برای حرکت مطمئن هستند. موتور مستقیماً به یک پیچ ساچمه‌ای متصل می‌شود و مشعل برش یا میز کار متحرک را به حرکت در می‌آورد تا کنترل موقعیت دقیق و برش با کیفیت بالا حاصل شود.

کاربردهای گسترده دستگاه‌های برش لیزر

۱. پردازش ورق فلزی

برش‌دهنده‌های لیزری به دلیل انعطاف‌پذیری بالا، کار با اشکال پیچیده و دسته‌های کوچک تا متوسط ​​به طور کارآمد، در ساخت ورق‌های فلزی ترجیح داده می‌شوند. نیازی به قالب نیست؛ دستورالعمل‌های پردازش به راحتی از طریق کامپیوتر برنامه‌ریزی و اصلاح می‌شوند. مزایا شامل سرعت بالا، شیار باریک، دقت بالا، زبری سطح خوب، حداقل HAZ و پردازش بدون تنش غیر تماسی است. آنها تقریباً همه مواد، از جمله مواد با سختی بالا، شکنندگی بالا و نقطه ذوب بالا را برش می‌دهند. اگرچه سرمایه‌گذاری اولیه زیاد است، اما تولید انبوه هزینه واحد را کاهش می‌دهد. عملکرد کاملاً محصور، کم آلودگی و کم صدا، محیط کار را بهبود می‌بخشد و باعث نوسازی صنعت می‌شود.

۲. ماشین‌آلات کشاورزی

با پیشرفت مکانیزاسیون کشاورزی، ماشین‌آلات متنوع و خودکار می‌شوند، تنوع قطعات فلزی ورق را افزایش می‌دهند و چرخه‌های نوسازی را کوتاه می‌کنند. مهرزنی سنتی به دلیل هزینه‌های بالای قالب‌گیری و راندمان پایین محدود است. برش‌های لیزری، پردازش غیرتماسی، با دقت بالا، سرعت بالا و حداقل تغییر شکل حرارتی را ارائه می‌دهند. عدم وجود قالب، هزینه‌ها را کاهش می‌دهد و نرم‌افزار، برش دلخواه ورق و لوله را امکان‌پذیر می‌کند، استفاده از مواد را به حداکثر می‌رساند و توسعه محصول را ساده می‌کند. آن‌ها هزینه‌های تولید را کاهش می‌دهند و از نوسازی و ارتقاء صنعت ماشین‌آلات کشاورزی پشتیبانی می‌کنند.

۳. تولید تبلیغات

صنعت تبلیغات به دقت بالا و کیفیت سطح بالایی نیاز دارد. برش‌دهنده‌های لیزری بسیاری از مشکلات تجهیزات سنتی را حل می‌کنند. برای موادی مانند اکریلیک، برنامه‌نویسی کامپیوتری طرح‌بندی را بهینه می‌کند تا در مصرف مواد صرفه‌جویی شود. برش لبه‌ها روان است و نیازی به پردازش پس از تولید ندارد. عملیات بدون قالب، فرآیندها را ساده می‌کند، هزینه‌ها را کاهش می‌دهد و پاسخ به بازار را سرعت می‌بخشد، ایده‌آل برای تولید چندمنظوره و چندسری. برش‌دهنده‌های لیزری سازگار با محیط زیست، کم‌صدا و کم‌ضایعات، گرافیک‌ها و فونت‌های پیچیده را با دقت تولید می‌کنند و خلاقیت، کارایی و سودآوری را افزایش می‌دهند.

۴. تولید پوشاک

در حالی که برش دستی همچنان رایج است، برش لیزری خودکار به سرعت در حال رشد است.

برش الگو: یکپارچه با نرم‌افزار CAD برای شکل‌دهی تک مرحله‌ای، راندمان بالا، سرعت و دقت.

برش پارچه: به طور فزاینده‌ای در بخش‌های برش، با راندمان و دقت بالا (محدود به ضخامت پارچه) استفاده می‌شود.

ساخت قالب: جایگزین روش‌های دستی و مبتنی بر مته، کوتاه کردن زمان تولید و بهبود کیفیت از طریق سرعت بالا، دقت، پایداری و سازگاری مستقیم با نرم‌افزار.

به طور کلی، برش لیزری باعث افزایش کارایی و دقت در صنعت پوشاک می‌شود.

۵. تولید ظروف آشپزخانه

برش لیزری بر محدودیت‌های روش‌های سنتی در سرعت و دقت غلبه می‌کند. این روش به سرعت قطعات مختلف ظروف آشپزخانه را برش می‌دهد و اشکال پیچیده و الگوهای تزئینی دقیقی ایجاد می‌کند که ظاهر و ارزش افزوده را افزایش می‌دهد. این روش از توسعه محصولات سفارشی و شخصی‌سازی‌شده برای برآوردن نیازهای رو به رشد مصرف‌کنندگان پشتیبانی می‌کند. این روش که برای ظروف پخت‌وپز از جنس استیل ضدزنگ، چاقوها و سایر اجزای فلزی/غیرفلزی مناسب است، نوآوری و تنوع را در صنعت هدایت می‌کند.

۶. صنعت خودرو

برش‌دهنده‌های لیزری در تولید خودرو ضروری هستند. آن‌ها دقت بالایی را برای قطعاتی مانند قطعات موتور و قاب بدنه تضمین می‌کنند، با شیارهای باریک، تفاله کم و استفاده زیاد از مواد از طریق لانه‌سازی. زبری سطح پایین، سنگ‌زنی پس از برش را کاهش می‌دهد. HAZ کوچک از فولاد ضد زنگ فریتی و فولاد با استحکام بالا محافظت می‌کند و کیفیت جوش را بهبود می‌بخشد. آن‌ها با مواد مختلفی (فولاد کم کربن، فولاد ضد زنگ، آلیاژ آلومینیوم) کار می‌کنند و از شکل‌دهی تک مرحله‌ای در تعداد کم پشتیبانی می‌کنند و باعث افزایش زمان‌بندی و کیفیت در تولید هوشمند خودرو می‌شوند.

۷. تجهیزات تناسب اندام

برش‌دهنده‌های لیزری انعطاف‌پذیری بالایی برای پردازش لوله‌های مورد استفاده در تجهیزات تناسب اندام ارائه می‌دهند. آن‌ها با دقت طول‌ها، زاویه‌ها و نازل‌های با شکل خاص را برش می‌دهند و تناسب مونتاژ و پایداری را بهبود می‌بخشند. راندمان بالای پردازش، چرخه‌های تولید را کوتاه می‌کند و امکان پاسخ سریع به تقاضای بازار برای سبک‌ها و مشخصات متنوع را فراهم می‌کند و رقابت‌پذیری محصول را تقویت می‌کند.

۸. صنعت هوافضا

تولید هوافضا الزامات بسیار بالایی دارد و برش لیزری به طور گسترده در قطعات هواپیما و موشک استفاده می‌شود. این روش برش با دقت بالا در آلیاژهای سبک و مقاوم در برابر هواگرد برای سازه‌های بدنه و قطعات دقیق را فراهم می‌کند. برای قطعات پیچیده و با تحمل بالا در موشک مانند قطعات مخزن سوخت و نازل‌های موتور، برش لیزری امکان کنترل دقیق مسیر و ماشینکاری پروفیل پیچیده را فراهم می‌کند و عملکرد و ایمنی را تضمین می‌کند.