Κοπή με λέιζερ

Η κοπή με λέιζερ είναι τεχνολογία που χρησιμοποιεί λέιζερ για την κοπή υλικών. Συνήθως χρησιμοποιείται σε βιομηχανικές εφαρμογές. Αρχίζει όμως να χρησιμοποιείται από σχολεία, μικρές επιχειρήσεις και χομπίστες. Λειτουργεί κατευθύνοντας, συνήθως μέσα από οπτικά συστήματα, την δέσμη ενός λέιζερ  υψηλής ισχύος  στο προς κοπή υλικό.  Για να κατευθύνουν το υλικό ή την παραγόμενη  ακτίνα λέιζερ, χρησιμοποιούνται τα οπτικά του λέιζερ αλλά και CNC (computer numerical control).  Έτσι ένα τυπικό εμπορικό λέιζερ για την κοπή υλικών αποτελείται από ένα CNC που εκτελεί κάποιον κώδικα  G-κώδικα που κατευθύνει την κεφαλή λέιζερ, ώστε να γίνει η κοπή του επιθυμητού σχέδιου πάνω στο υλικό. Η εστιασμένη ακτίνα λέιζερ κατευθύνεται στο υλικό, το οποίο στη συνέχεια  λιώνει, καίγεται ή ατμοποιείται  ή πετάγεται μακρυά από το φύσημα με ένα αέριο, αφήνοντας μια επιφάνεια κοπής με ένα υψηλής ποιότητας φινίρισμα. Βιομηχανικοί κόπτες λέιζερ χρησιμοποιούνται για την κοπή επίπεδων φύλλων υλικών, καθώς και δομικών υλικών και  υλικών σωληνώσεων.

Ιστορία

 Η πρώτη μηχανή παραγωγής κοπής με  λέιζερ χρησιμοποιήθηκε το 1965 για να κάνει τρύπες σε ένα υπόστρωμα από διαμάντι. Αυτή η μηχανή κατασκευάστηκε από την Western Electric Engineering Research Center.  Το 1967, οι Βρετανοί πρωτοστατούσαν στις κοπές μετάλλων με λέιζερ που υποβοηθούνταν από οξυγόνο . Στις αρχές της δεκαετίας του 1970, η τεχνολογία αυτή μπήκε στην παραγωγή για την κοπή τιτανίου για αεροδιαστημικές εφαρμογές. Την ίδια εποχή τα λέιζερ CO₂ προσαρμόστηκαν για την κοπή μη-μεταλλικών υλικών, όπως υφάσματα. Εκείνη την εποχή τα λέιζερ CO₂ δεν μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την κοπή μετάλλων, επειδή δεν ήταν ήταν αρκετά ισχυρά, ώστε να ξεπεραστεί η θερμική αγωγιμότητα των μετάλλων.

Διαδικασία

Η δημιουργία των δεσμών ακτίνων  λέιζερ περιλαμβάνει εξαναγκασμένη διέγερση ενός  υλικού από ηλεκτρικές εκκενώσεις ή λαμπτήρες μέσα σε ένα κλειστό δοχείο που λέγεται συντονιστής (resonator) ή κοιλότητα (cavity). Καθώς το υλικό διεγείρεται, η δέσμη ανακλάται εσωτερικά από ένα ημιπερατό κάτοπτρο, μέχρι να φτάσει σε επαρκή ενέργεια, ώστε να ξεφύγει ως μονοχρωματικό σύμφωνο φως. Συνήθως χρησιμοποιούνται κάτοπτρα ή οπτικές ίνες για να κατευθύνουν το  σύμφωνο φως σε ένα φακό, ο οποίος στη συνέχεια το εστιάζει στo σημείο εργασίας. Το στενότερο σημείο της εστιασμένης δέσμης είναι γενικά μικρότερο από 0,32 mm σε διάμετρο. Ανάλογα με το πάχος του υλικού, είναι δυνατά μικρά πλάτη τομής (kerf) της τάξης των 0,10mm . Για να ξεκινήσει η  κοπή από άλλο σημείο, και όχι από την άκρη του υλικού, πριν από κάθε κοπή πρέπει να προηγηθεί διάτρηση. Η διάτρηση συνήθως γίνεται από έναν παλμό δέσμης λέιζερ υψηλής ενέργειας, που σιγά-σιγά κάνει μια τρύπα στο υλικό. Η διάτρηση χρειάζεται για παράδειγμα, ανάλογα με την ισχύ του λέιζερ, 5-15 δευτερόλεπτα περίπου για υλικό  από ανοξείδωτο χάλυβα πάχους 13mm.
Οι παράλληλες ακτίνες του σύμφωνου φωτός, όπως παράγονται αρχικά από την πηγή λέιζερ, συνήθως περιορίζονται σε μία περιοχή διαμέτρου  μεταξύ 1,5-2mm.  Αυτή η δέσμη στη συνέχεια εστιάζεται από ένα φακό ή ένα κάτοπτρο σε ένα πολύ μικρό σημείο διαμέτρου περίπου 0,025mm, ώστε να δημιουργηθεί μια πολύ έντονη ακτίνα λέιζερ (μεγάλης πυκνότητας ισχύος ανά μονάδα επιφάνειας). Προκειμένου να επιτευχθεί το πιο λείο φινίρισμα κατά τη διάρκεια της κοπής ενός περιγράμματος, πρέπει να περιστρέφεται  η κατεύθυνση πόλωσης των ακτίνων,   καθώς η δέσμη κινείται γύρω από την περιφέρεια της καμπύλης κοπής του υπό κατεργασία τεμαχίου. Για την κοπή μεταλλικών φύλλων, το εστιακό μήκος των φακών εστίασης είναι συνήθως 38-76mm .

Σύγκριση κοπής με Λέιζερ σε σχέση με την κοπή πλάσματος

H κοπή μετάλλων με Λέιζερ πλεονεκτεί , σε σχέση με την κοπή πλάσματος, στο ότι  είναι πιο ακριβής και χρησιμοποιεί λιγότερη ενέργεια κατά την κοπή μεταλλικών φύλλων.  Ωστόσο τα περισσότερα βιομηχανικά λέιζερ δεν μπορούν να κόψουν μεγάλα πάχη μετάλλων, όπως μπορούν οι συσκευές πλάσματος. Νεότερες όμως μηχανές λέιζερ που λειτουργούν σε υψηλότερη ισχύ (6000 watt, σε αντίθεση με τις πρώιμες μηχανές λέιζερ ισχύος 1500 watt ) πλησιάζουν τις μηχανές πλάσματος στην ικανότητά κοπής παχέων υλικών, αλλά το κόστος αγοράς τους είναι πολύ υψηλότερο από το κόστος των αντίστοιχων μηχανών πλάσματος.

Ανοχές και φινίρισμα επιφάνειας 

Οι νέοι κόπτες λέιζερ έχουν ακρίβεια προσδιορισμού θέσης της τάξης των 10 μικρομέτρων και επαναληψιμότητα των 5 μικρομέτρων.
Η συνηθισμένη   τραχύτητα  της επιφάνειας κοπής Rz αυξάνει με το πάχος του φύλλου, αλλά μειώνεται με την αύξηση της ισχύος του λέιζερ και της ταχύτητας κοπής. Κατά την κοπή χάλυβα χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα με το λέιζερ ισχύος 800 W,  η συνηθισμένη τραχύτητας Rz είναι 10 μm για το φύλλο πάχους 1 mm, 20 µm για 3 mm και 25 µm για 6 mm. Ο τύπος που δίνει την τραχύτητα είναι: , όπου:  το πάχος του φύλλου χάλυβα σε mm,  η ισχύς του λέιζερ σε kW (μερικοί νέοι κόπτες λέιζερ έχουν ισχύ 4 kW ή περισσότερο.) και  η ταχύτητα κοπής σε μέτρα ανά λεπτό.
Αυτή η διαδικασία είναι σε θέση να διατηρεί πολύ στενές ανοχές, συχνά μέσα στο 0,001 της ίντσας (0.025 mm). Η γεωμετρία του τεμαχίου και η μηχανική ακρίβεια της μηχανής επηρεάζουν σημαντικά τις ανοχές. Το τυπικό φινίρισμα επιφάνειας που προκύπτει από την ακτίνα λέιζερ κοπής μπορεί να κυμαίνεται από 125 έως 250 μικρο-ίντσες (0,003 mm 0,006 mm).

Pulsing

Τα παλμικά λέιζερ, τα οποία παρέχουν μία υψηλής ισχύος ριπή ενέργειας για ένα σύντομο χρονικό διάστημα, είναι πολύ αποτελεσματικά σε ορισμένες διαδικασίες κοπής με λέιζερ, ειδικά για τη διάτρηση  ή όταν χρειάζονται πολύ μικρές τρύπες ή πολύ χαμηλές ταχύτητες κοπής. Σε αυτές τις περιπτώσεις εάν χρησιμοποιούνταν μια σταθερή δέσμη λέιζερ, η θερμοκρασία  θα μπορούσε να φτάσει το σημείο τήξης ολόκληρου του κομματιού που κόβεται.
Τα περισσότερα βιομηχανικά λέιζερ έχουν τη δυνατότητα είτε της παραγωγής παλμών, είτε της συνεχούς κοπής CW (Continuous Wave), κάτω από τον έλεγχο ενός προγράμματος αριθμητικού ελέγχου NC (numerical control).
Τα  λέιζερ διπλών παλμών χρησιμοποιούν μια σειρά ζευγών παλμών  για να βελτιώσουν την  αφαίρεση υλικού και την ποιότητα των οπών. Ουσιαστικά, ο πρώτος παλμός αφαιρεί υλικό από την επιφάνεια και ο δεύτερος εμποδίζει τον εκτιναζόμενο υλικό να προσκολληθεί  στα πλευρά της οπής ή της εγκοπής.