Τύποι μηχανών κοπής με λέιζερ και εφαρμογές

Η κοπή με λέιζερ χρησιμοποιεί λέιζερ αντί για φυσικά εργαλεία κοπής ή κοπή με φλόγα υψηλής θερμοκρασίας. Λόγω των χαρακτηριστικών του λέιζερ, έχει σημαντικά πλεονεκτήματα σε σχέση με την παραδοσιακή κοπή. Εκτός από την ισχύ της κοπής με λέιζερ, οι οπτικές ιδιότητες του λέιζερ έχουν τη μεγαλύτερη επίδραση στην κοπή, όπως το μήκος κύματος, το πλάτος παλμού, η συχνότητα επανάληψης παλμού κ.λπ. Ανάλογα με τον τύπο του λέιζερ, ο τρέχων βιομηχανικός εξοπλισμός λέιζερ χωρίζεται κυρίως σε λέιζερ οπτικών ινών, λέιζερ CO2 και λέιζερ YAG.

λέιζερ ινών

Το λέιζερ οπτικών ινών είναι ένα είδος συστήματος λέιζερ που χρησιμοποιεί ίνες γυαλιού με πρόσμιξη σπάνιων γαιών ως μέσο κέρδους. Αποτελείται από τρία μέρη: μέσο κέρδους, πηγή αντλίας και κοιλότητα συντονισμού. Γενικά, το λέιζερ ημιαγωγών χρησιμοποιείται ως πηγή αντλίας και η κοιλότητα συντονισμού αποτελείται γενικά από ανακλαστήρα, ακραία επιφάνεια ίνας, δακτυλιοειδή καθρέφτη ίνας ή πλέγμα ινών και άλλες συσκευές. Ενεργές ίνες με στοιχεία σπάνιων γαιών (έρβιο (Er3+), υττέρβιο (Yb3+), νεοδύμιο (Nd3+), σαμάριο (Sm3+), θούλιο (Tm3+), όλμιο (Ho3+), πρασεοδύμιο (Pr3+), δυσπρόσιο (Dy3+), βισμούθιο (Bi3+), κ.λπ.)) χρησιμοποιούνται ως μέσο κέρδους.

Ανάλογα με τα προσμιγμένα ιόντα, τα λέιζερ οπτικών ινών μπορούν να επιτύχουν εξόδους λέιζερ διαφορετικών μηκών κύματος. Το μήκος κύματος που χρησιμοποιείται στη βιομηχανία είναι γενικά 1.06 μm (το ένα δέκατο του μήκους κύματος του λέιζερ CO2), επομένως είναι ιδιαίτερα κατάλληλο για την κοπή λεπτών μεταλλικών πλακών.

Πλεονεκτήματα των λέιζερ οπτικών ινών

Καλή ποιότητα δέσμης: Η δομή κυματοδηγού της οπτικής ίνας καθορίζει ότι το λέιζερ ινών είναι εύκολο να επιτευχθεί μία μόνο εγκάρσια έξοδος, επηρεάζεται λιγότερο από εξωτερικούς παράγοντες και μπορεί να επιτύχει έξοδο λέιζερ υψηλής φωτεινότητας. Η χρήση αυτού του τύπου λέιζερ έχει μια μικρή ευθεία κοπή και μια λεία επιφάνεια κοπής, και μπορεί να επιτύχει μια μεγάλη αναλογία βάθους προς διάμετρο και αναλογία βάθους προς πλάτος.

Υψηλή απόδοση ηλεκτροοπτικής μετατροπής: Η απόδοση ηλεκτροοπτικής μετατροπής μπορεί να φτάσει το 20%~30% (τα λέιζερ CO2 είναι γενικά 8%~10%). Η εξαιρετικά υψηλή απόδοση μετατροπής ενέργειας καθιστά αυτόν τον τύπο λέιζερ πιο ενεργοβόρο και παράγει λιγότερη θερμότητα. Ο εξοπλισμός χαμηλής ισχύος μπορεί να χρησιμοποιήσει σύστημα ψύξης αέρα και οι απαιτήσεις ισχύος της μηχανής ψύξης νερού που χρησιμοποιείται σε εξοπλισμό υψηλής ισχύος μειώνονται επίσης ανάλογα.

Υψηλή ταχύτητα κοπής: Η ταχύτητα κοπής μπορεί να φτάσει 4~5 φορές αυτή της μηχανής κοπής λέιζερ YAG.

Υψηλή σταθερότητα εξοπλισμού και απλή συντήρηση:Η οπτική διαδρομή είναι απλή, δεν απαιτούνται περίπλοκοι ανακλαστήρες, επηρεάζεται λιγότερο από το εξωτερικό περιβάλλον και το επακόλουθο κόστος συντήρησης είναι χαμηλό.

Χαμηλό κόστος χρήσης: Η εξαιρετικά υψηλή ηλεκτροοπτική απόδοση μετατροπής μπορεί να εξοικονομήσει περισσότερη ηλεκτρική ενέργεια, το απλό σύστημα οπτικής διαδρομής καθιστά το επόμενο κόστος συντήρησης πολύ χαμηλό και δεν χρησιμοποιείται αέριο μέσο, ​​εξοικονομώντας σχετικό κόστος.

Ακίνδυνο για το ανθρώπινο σώμα: Το μήκος κύματος του λέιζερ είναι υπέρυθρο φως που είναι αόρατο στο ανθρώπινο μάτι και δεν προκαλεί καμία βλάβη στο ανθρώπινο σώμα.

Μειονεκτήματα των λέιζερ οπτικών ινών

Περιορισμός υλικού κοπής: Το λέιζερ ινών δεν μπορεί να κόψει μη μεταλλικά υλικά, ούτε μπορεί να κόψει υλικά με επικάλυψη στην επιφάνεια, όπως κοινό ανοξείδωτο χάλυβα με επικάλυψη, ειδικές χαλύβδινες πλάκες με αντισκωριακή επίστρωση κ.λπ.

Υψηλό αρχικό κόστος: Η αρχική αγορά μιας μηχανής κοπής με λέιζερ ινών είναι υψηλότερη, αλλά το επακόλουθο λειτουργικό κόστος είναι πολύ χαμηλότερο.

CO2 Laser

Το λέιζερ CO2 είναι ένα λέιζερ αερίου, το οποίο αντιπροσωπεύει το "μοριακό λέιζερ δόνησης-περιστροφής" σε λέιζερ αερίου. Το αέριο εργασίας του είναι ένα μείγμα CO₂, N₂ και He. Τα ηλεκτρόνια στα άτομα παραμένουν στην θεμελιώδη κατάσταση και η μετάβαση του λέιζερ συμβαίνει μεταξύ δύο περιστροφικών ενεργειακών επιπέδων διαφορετικών καταστάσεων δόνησης του CO2.

Ο πιο συνηθισμένος τύπος γεννήτριας λέιζερ CO2 χρησιμοποιεί έναν σωλήνα λέιζερ CO₂ διέγερσης συνεχούς ρεύματος. Χρησιμοποιεί ένα ηλεκτρικό πεδίο συνεχούς ρεύματος (DC) υψηλής τάσης (συνήθως αρκετά κιλοβόλτ) για να οδηγήσει άμεσα την εκκένωση αερίου, όπου τα μόρια CO₂ διεγείρονται σε επίπεδα ενέργειας δόνησης-περιστροφής μέσω συγκρούσεων ηλεκτρονίων, επιτυγχάνοντας αντιστροφή πληθυσμού και εκπομπή λέιζερ.

Υπάρχει επίσης μια γεννήτρια λέιζερ CO2 υψηλής τεχνολογίας—ο σωλήνας λέιζερ ραδιοσυχνοτήτων (RF), ο οποίος χρησιμοποιεί ένα ηλεκτρικό πεδίο εναλλασσόμενου ρεύματος (AC) υψηλής συχνότητας (π.χ., 13.56 MHz) για τη διέγερση μορίων αερίου χωρίς ηλεκτρόδια, δημιουργώντας εκκένωση πλάσματος. Αυτή η διαδικασία διεγείρει μόρια CO₂ σε επίπεδα ενέργειας δόνησης-περιστροφής, παράγοντας εκπομπή λέιζερ. Ο σωλήνας λέιζερ RF προσφέρει ανώτερη ομοιομορφία εκκένωσης, πιο σταθερές λειτουργίες δέσμης (π.χ., TEM₀₀) και υψηλότερη απόδοση, μεγαλύτερη διάρκεια ζωής και μεγαλύτερη πυκνότητα ισχύος σε σύγκριση με τα συστήματα διέγερσης με συνεχές ρεύμα.

Πλεονεκτήματα του λέιζερ CO2

Κοπή μη μεταλλικών υλικών: Το λέιζερ CO2 έχει μήκος κύματος 10.6 μm. Η δέσμη φωτός αυτού του μήκους κύματος απορροφάται εύκολα από μη μεταλλικά υλικά. Η χαμηλή ανακλαστικότητά του και η θερμοκρασία εξάτμισης κάνουν την απορροφούμενη φωτεινή ενέργεια να εισέρχεται σχεδόν πλήρως στο υλικό και προκαλεί την εξάτμιση να σχηματίζει οπές σε μια στιγμή, εισερχόμενη σε έναν ενάρετο κύκλο κατά τη διάρκεια της διαδικασίας κοπής.

Σταθερή απόδοση: Οι μηχανές κοπής με λέιζερ CO2 χρησιμοποιούνται για περισσότερα από 30 χρόνια. Πολλά από τα χαρακτηριστικά επεξεργασίας τους έχουν μελετηθεί διεξοδικά και η τεχνολογία επεξεργασίας έχει ωριμάσει πολύ.

Ακίνδυνο για το ανθρώπινο σώμα: Το μήκος κύματος του λέιζερ είναι υπέρυθρο φως που είναι αόρατο στο ανθρώπινο μάτι και δεν προκαλεί καμία βλάβη στο ανθρώπινο σώμα.

Μειονεκτήματα του λέιζερ CO2

Δεν είναι κατάλληλο για κοπή μετάλλου: Οι συνηθισμένες μηχανές κοπής με λέιζερ CO2 είναι δύσκολο να κοπούν μεταλλικά υλικά, επειδή το λέιζερ μήκους κύματος 10.6 μm που εκπέμπεται από αυτές είναι δύσκολο να απορροφηθεί από τα μεταλλικά υλικά. Αν και κάποια κοπή μετάλλου μπορεί να επιτευχθεί τροποποιώντας τη μηχανή κοπής (αύξηση ισχύος, προσθήκη ανακλαστικού μονωτή, χρήση καύσης οξυγόνου κ.λπ.), το κόστος και το αποτέλεσμα κοπής είναι πολύ κατώτερα από τη μηχανή κοπής με λέιζερ ινών και η ικανότητα κοπής μεταλλικών υλικών υψηλής ανακλαστικότητας είναι πολύ κακή, ειδικά δεν είναι κατάλληλες για την επεξεργασία μη σιδηρούχων μετάλλων υψηλής ανακλαστικότητας όπως χρυσός, ασήμι, χαλκός, αλουμίνιο, ψευδάργυρος κ.λπ.

Υψηλό κόστος μετέπειτα χρήσης: Το λέιζερ 10.6 μm που παράγεται από τη μηχανή κοπής λέιζερ CO2 δεν μπορεί να μεταδοθεί μέσω οπτικών ινών και απαιτεί πολλαπλούς ανακλαστήρες για ανάκλαση. Η οπτική διαδρομή είναι περίπλοκη. Μόλις εγκατασταθεί, δεν είναι εύκολο να μετακινηθεί. Έχει αυστηρές απαιτήσεις για το περιβάλλον. Οι κραδασμοί, η σκόνη, το φως κ.λπ. επηρεάζουν τη σταθερότητα χρήσης του. Και η κατανάλωση ενέργειας είναι υψηλή, και η διάρκεια ζωής του ανακλαστήρα και η κατανάλωση αερίου αυξάνουν επίσης το κόστος χρήσης του.

Χαμηλός βαθμός ευελιξίας επεξεργασίας: Σε σύγκριση με τον οδηγό φωτός οπτικών ινών του λέιζερ ινών, αυτός ο τύπος ευελιξίας επεξεργασίας λέιζερ είναι χαμηλός. Ο τρόπος αύξησης του εύρους κοπής 3D της μηχανής κοπής λέιζερ CO2 ήταν πάντα ένα δύσκολο πρόβλημα στον κλάδο.

YAG Laser

Το λέιζερ YAG, το πλήρες όνομα του οποίου είναι λέιζερ γρανάτη υττρίου-αλουμινίου με πρόσμιξη νεοδυμίου, είναι ένα στερεό λέιζερ που βασίζεται σε κρύσταλλο γρανάτη υττρίου-αλουμινίου (Y₃Al₅O₁₂, που αναφέρεται ως YAG).

Πλεονεκτήματα των λέιζερ YAG

Υψηλή ενέργεια ενός παλμού και υψηλή μέγιστη ισχύς: Το κρύσταλλο YAG έχει υψηλό όριο ζημιάς, το οποίο μπορεί να επιτύχει μεγάλη ενέργεια ενός παλμού και υψηλή μέγιστη ισχύ. Σε ορισμένες εφαρμογές επεξεργασίας που απαιτούν στιγμιαία υψηλή ενεργειακή απόδοση, όπως η διάτρηση και η βαθιά χάραξη ορισμένων υλικών, το λέιζερ YAG μπορεί να ολοκληρώσει τις εργασίες επεξεργασίας πιο αποτελεσματικά και το εύρος εφαρμογής του είναι σχετικά ευρύτερο.

Ισχυρή ικανότητα επεξεργασίας μεταλλικών υλικών: Παράγει λέιζερ με μήκος κύματος 1.06 μm, με υψηλή απόδοση σύζευξης με μέταλλα και καλή απόδοση επεξεργασίας.

Υψηλή ευελιξία επεξεργασίας: Τα λέιζερ YAG μπορούν να συνδεθούν με οπτικές ίνες και έχουν εξαιρετικά υψηλή ευελιξία επεξεργασίας όπως τα λέιζερ οπτικών ινών.

Χαμηλή τιμή: Τα λέιζερ YAG είναι σχετικά ώριμα λέιζερ με υψηλή τεχνική ωριμότητα, σχετικά φθηνές τιμές και χαμηλό αρχικό κόστος επένδυσης.

Ακίνδυνο για το ανθρώπινο σώμα: Το μήκος κύματος του λέιζερ είναι υπέρυθρο φως που είναι αόρατο στο ανθρώπινο μάτι και δεν προκαλεί καμία βλάβη στο ανθρώπινο σώμα.

Μειονεκτήματα των λέιζερ YAG

Χαμηλή απόδοση ηλεκτροοπτικής μετατροπής: Η ηλεκτροοπτική απόδοση μετατροπής των λέιζερ YAG είναι γενικά 1% έως 3% και το μεγαλύτερο μέρος της ηλεκτρικής ενέργειας μετατρέπεται σε θερμική ενέργεια.

Προφανής θερμική επίδραση: Όταν λειτουργεί το λέιζερ YAG, δημιουργείται μια θερμοκρασιακή διαβάθμιση στο εσωτερικό της ράβδου λέιζερ, προκαλώντας θερμική καταπόνηση και φαινόμενο θερμικού φακού. Η θερμική καταπόνηση μπορεί να προκαλέσει θραύση της ράβδου λέιζερ, επηρεάζοντας την κανονική λειτουργία του λέιζερ. Το φαινόμενο θερμικού φακού θα αλλάξει τα χαρακτηριστικά εστίασης της δέσμης λέιζερ, θα μειώσει την ποιότητα της δέσμης και θα περιορίσει τη μέση ισχύ και τη βελτίωση της ποιότητας της δέσμης. Τα λέιζερ οπτικών ινών χρησιμοποιούν λεπτές οπτικές ίνες με πρόσμιξη σπάνιων γαιών ως μέσο ενίσχυσης, οι οποίες έχουν μεγάλη αναλογία επιφάνειας προς όγκο και γρήγορη απαγωγή θερμότητας, και μπορούν να αποφύγουν αποτελεσματικά το πρόβλημα της μειωμένης ποιότητας και απόδοσης της δέσμης που προκαλείται από θερμικές επιδράσεις.

Κακή ικανότητα κοπής μη μεταλλικών αντικειμένων: Όπως και τα λέιζερ οπτικών ινών, το λέιζερ μήκους κύματος 1.06μm της YAG δεν είναι κατάλληλο για κοπή μη μεταλλικών υλικών.

Προτάσεις αγοράς

Αν επεξεργάζεστε κυρίως μεταλλικά υλικά, το λέιζερ οπτικών ινών είναι μια καλή επιλογή. Είναι ιδιαίτερα κατάλληλο για την κοπή μεταλλικών φύλλων. Η απόδοση ηλεκτροοπτικής μετατροπής είναι επίσης πολύ υψηλότερη από αυτή του λέιζερ CO2 και του λέιζερ YAG. Είναι μικρό σε μέγεθος και εύκολο στη συντήρηση. Έχει εξαιρετικές ευέλικτες δυνατότητες επεξεργασίας. Συγκεκριμένα, το κόστος των μηχανών κοπής λέιζερ οπτικών ινών έχει μειωθεί σταδιακά τα τελευταία χρόνια. Έχει σχεδόν αντικαταστήσει τα παραδοσιακά λέιζερ στερεών και διοξειδίου του άνθρακα στην κοπή μετάλλων.

Εάν επεξεργάζεστε κυρίως μη μεταλλικά υλικά (όπως ξύλο, ακρυλικό, πλαστικό, δέρμα, κεραμικά κ.λπ.), τότε το λέιζερ διοξειδίου του άνθρακα είναι η μόνη επιλογή.

Εκτός από το προφανές πλεονέκτημα κόστους, τα λέιζερ YAG έχουν ουσιαστικά αντικατασταθεί από λέιζερ οπτικών ινών στον τομέα της βιομηχανικής κοπής.