لیزر هدایت‌شده با واترجت

تاریخچه

جین دانیل کلادون(۱۸۰۲-۱۸۹۳) دریافت که اگر پرتو نوری را از  آبی که از سوراخ کوچک یک مخزن به بیرون ریخته می‌شود عبور دهد، نور همراه با آب خم می‌شود. بعد هادر سال ۱۹۹۳ دانشمندان در مؤسسهٔ فناوری سوییس، موفق شدند لیزر هدایت شده با واترجت به نام لیزر ماکروجت را اختراع کنند.

ساختار

پرتو لیزر توسط لوله‌ای هدایت می‌شود تا اینکه به اتاقک تحت فشار آب می‌رسد.طراحی لیزر و لوله به گونه‌ای است که لیزر با انرژی زیاد را به واترجت می‌رساند. واترجتی که از لوله بیرون ریخته می‌شود، پرتو لیزر را با هدف بازتاب کامل آن پوشش می‌دهد، درست مانند فیبر نوری شیشه‌ای معمولی. بنابراین می‌توان واترجت را به عنوان شار هدایت نور با طول متغیر در نظر گرفت. به علت اینکه در این دستگاه از لیزر پالسی استفاده می‌شود، واتر جت که به‌طور پیوسته در حال انجام کار است می‌تواند سریعاً سطح قطعه را خنک کند. نتیجه کار، برشی باریک، موازی، تمیز و بدون هیچ گونه آسیب دیدگی گرمایی است.
در لیزر این دستگاه معمولاً از لیزر حالت جامد پالسی ان دی یگ استفاده می‌شود. توان خروجی میانگین این دستگاه ۵۰ تا۲۰۰ وات می‌باشد. زمان پالس آن نیز حدود ۰٫۱ تا۱۰۰ میکروثانیه می‌باشد. پمپ آب آن این لیزر فشاری حدود ۲۰ تا ۵۰۰ بار دارد. خروجی آب آن نیز ۵ تا ۷۵ میلی لیتر در دقیقه می‌باشد.
مقایسه لیزر واترجت و لیزر معمولی
همانطور که مشاهده می‌شود، در لیزر واترجت(سمت راستی)قطعه نیاز ندارد در نقطه کانونی قرارگیرد.  همچنین دیواره‌های موازی در برش ایجاد می‌کند و نسبت ابعاد در برش زیاد دارد. ناحیهٔ تحت تأثیر گرما قرار گرفته ندارد یا خیلی اندک است. همچنین مواد مذاب در پایین قطعه جمع نمی‌شوند
در لیزرهای معمولی(سمت چپ)عکس مطالب فوق اتفاق می افتد.

مزیت ها

از مزایای این دستگاه می‌توان گفت که اندازهٔ گرین‌های قطعه در طی فرایند تغییر نمی‌کند، همچنین ترک‌های کوچک در قطعه ایجاد نمی‌کند،اکسیداسیون به وجود نمی‌آید و همچنین در طی فرایند، قطعه تاب برنمی‌دارد. همچنین تکانهٔ زیادی که واترجت دارد، باعث می‌شود که مواد ذوب شده به قطعه نچسبند. با این دستگاه حتی می‌توان قطعاتی که محلول در آب هستند نیز برش داد. این دستگاه نیروی اندکی روی قطعه وارد می‌کند. به علت اینکه واترجت مانند فیبر برای پرتو عمل می‌کند ، در نتیجه پرتو نقطهٔ کانونی ندارد و همواره پرتوهای موازی از خود ساطع می‌کند. بنابراین لزومی به قرارگیری قطعه در فاصلهٔ کانونی پرتو نیست و حتی قطعاتی که در فاصلهٔ زیاد از پرتو قرار دارند نیز به راحتی برش می خورند. بنابراین کیفیت دستگاه ثابت می‌ماند.

کاربردها

۱. برش قطعات حساس پزشکی مثل برش لوله‌های مصرفی در رگ بازسازی:'
رگبازسازی در درمان بیماری‌های قلبی و باز نگاه داشتن رگ‌های کرونر  مسدود یا تنگ شده کاربرد عام دارد. از آنجا که لولهٔ گفته شده در تماس دائم، مستقیم و پر تکرار خون و پلاسمای خون می‌باشد،این قطعات بایستی کاملاً صیقلی و عاری از هر نوع ضایعات و سوختگی نامطلوب ناشی از برش باشند. که در غیر این صورت زائده‌ها و سوختگی‌های سطح فلز سبب جذب چربی، پلاسما و سایر مواد محلول در خون می‌شوند که بر اثر انباشتگی این مواد لولهٔ تعبیه شده نیز مسدود می‌شود. این قطعات از جنس استیل ضد زنگ، نیکل و تیتانیم هستند. اگر استیل ضد زنگ با ضخامت۱۵۰ میکرومتر را با لیزر عادی برش دهیم، می سوزد.
۲. استنسیل کردن:
به‌طور کلی استنسیل، قطعهٔ نازک پلاستیک یا هر مادهٔ غیرقابل نفوذ است که روی سطح آن طرح‌های بریده شده قرار دارد. این قطعه روی صفحه‌ای قرار می‌گیرد و اجازهٔ عبور رنگ را از داخل قطعات بریده شده عبور می‌دهد. از این لیزر همچنین در استنسیل کردن فلزات استفاده می‌شود. از استنسیل  کردن فلزات در به کار بردن خمیر لحیم روی بردهای مدار چاپی استفاده می‌شود. همچنین ماسک لحیم کاری که معمولاً از فلز یا مواد پلاستیکی متخلخل ساخته می‌شود را جهت انتقال چسب یا خمیر لحیم کاری به رویهٔ شاسی الکترونیکی به کار گرفته می‌شود. اما دقت انتقال چسب ار طریق استنسیل‌هایی که برش‌های آن از طریق لیزر انجام می‌شود چنان بالاست که اتصال کوتاه نامطلوب به حداقل می‌رسد.
۳. برش الماس خام:
این لیزر در برش الماس خام نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد. الماس خام طول موج رنگ سبز ۵۳۲ نانو متر این لیزر را جذب می‌کند بنابراین  بدون شکستگی و ناهمواری‌های سطح بریده می‌شود. در این روش الماس کاملاً به صورت موازی برش می خورد به علاوه الماس‌های ضخیم دیگر تنها از یک طرف بریده می‌شوند. این در حالی است که برش الماس‌های ضخیم با لیزرهای عادی از دو جهت انجام می‌شود.
۴. برش سلول خورشیدی:
در مطالعات اخیر نشان داده شده‌است که به علت سرد ماندن قطعه هنگام برش و در نتیجه تحت تأثیر قرار نگرفتن بهرهٔ الکتریکی قطعه، از این لیزر برای برش سلول‌های خورشیدی استفاده می‌شود.
آورد
برای بالا بردن بهرهٔ سلول‌های خورشیدی باید تمام اتصالات سلول خورشیدی را به پشت قطعه منتقل کنند. این امر با سوراخ کردن سطح سلول با لیزر واترجت امکان‌پذیر است.
بهرهٔ سلول‌های خورشیدی با اضافه کردن ناخالصی به اتصالات آن نیز افزایش می‌یابد. برای این کار از یک روش انقلابی استفاده می‌کنند. یعنی از جت فسفریک اسید به جای واترجت استفاده می‌کنند.
۵. ارتقا کیفیت نازل ها:
یکی دیگر از کاربردهای مناسب واترجت لیزر در ارتقا کیفیت نازل‌ها می‌باشد. نازل‌ها در شیرهای فشار شکن که در انواع ماشین‌های تبرید تراکمی کاربرد عام دارند، و همچنین در نازل انژکتورهای سوخت اتوموبیل‌ها نقش مؤثری در راندمان ماشین ایفا می‌کنند
قطر خروجی نازل با زمان تبخیر مایع خارج شده از نوک نازل نسبت مستقیم دارد(سوپر هیت پوینت)به‌طوری‌که هرچه قطر نازل کمتر،ذرات خروجی ریز تر و زمان تبخیر کمتر خواهد بود. از طرفی دیگر ناصافی حفرهٔ ایجاد شده در نازل‌ها سبب پایین آمدن راندمان و دشوار شدن کنترل خروجی مایع می‌شود. لذا سوراخ کاری از طریق لیزر واترجت این امکان را فراهم می‌آورد که در یخچال‌ها، کولرها و همچنین سوخت پاش‌های اتومبیل بتوانیم هر چه راحت‌تر مایع را به گاز تبدیل کنیم به عبارت دیگر در اتومبیل‌ها به این طریق نسبت ترکیب سوخت با اکسیژن بهبود می‌یابد در نتیجه شاهد اتومبیل‌های کم مصرف تر با آلودگی کمتر خواهیم بود.