Rezanje laserom

Poređenje CAD (engl. Computer Aid Design) tehnologije i nerđajući čelik rezan laserom (dole)

Rezanje laserom je tehnologija koja koristi laser za rezanje materijala, i uglavnom se koristi za industrijsku primenu, ali sve češće se koristi i u školama, malim preduzećima i kod hobista. Rezanje laserom radi tako da se direktno kontroliše izlazna snaga lasera, delujući obično kompjuterom. Materijal se ili topi, ili izgara, ili isparava, ili ga oduva mlaz vazduha pod pritiskom, ostavljajući visoko kvalitetne rubove reza. Ne režu se samo limovi, nego i profili i cevi. Mašinska obrada laserskim snopom je najpogodnija za lomljive materijale niske prodljivosti, mada se može koristiti na većini materijala.

Vrste lasera

Kod rezanja laserom koriste se 3 vrste lasera. CO₂ laser je pogodan za rezanje, bušenje i graviranje. Nd laser i Nd:YAG laseri su slični laseri, a razlikuju se po primeni. Nd laser se koristi za bušenje, gde je potrebna velika snaga, ali s malo ponavljanja. Nd:YAG laser se koristi za velike snage kod bušenja i graviranja, s velikim brojem ponavljanja. Svi ovi laseri se mogu koristiti i kod zavarivanja.

CO₂ laseri obično za lasersku pumpu koriste prolaz električne struje kroz mešavinu gasa (jednosmerna struja) ili korištenjem radio frekventne energije, koja je novija metoda. Budući da pobuda sa istosmernom strujom, zahteva da se elektrode nalaze unutar optičkog rezonatora, može doći do trošenja elektroda i do stvaranja naslaga materijala s elektroda na staklu i ogledalima. Zato se i počelo sa korištenjem radio frekvencije, da se izbjegnu ti problemi.

CO₂ laseri se koriste u industriji za rezanje mnogih materijala: meki čelik, aluminijum, nerđajući čelik, titanijum, papir, vosak, drvo i tkanine. YAG laseri se prvenstveno koriste za rezanje i označavanje metala i keramike.

Rezanje lasera na komadu lima

Osim izvora snage, za karakteristike rada može uticati i način mešanja i protoka gasa unutar optičkog rezonatora. Kod brzih aksijalnih protoka, mešavina uglen-dioksida, helijuma i azota, kruži sa velikim brzinama, pogonjena turbinom ili ventilatorom. Kod poprečnog toka, mešavina vazduha se meša s manjim brzinama i za to treba manji ventilator. Kod novijih rešenja, imamo difuziono hlađenje sa statičkim poljem spolja, tako da se štedi na održavanju i zameni delova.

Stvaranje laserskih zraka i vanjska optika (uključujući i fokusne leće), zahtevaju hlađenje. Zavisno od veličine i rasporeda, ogromna količina toplote treba bite odvedena sa rashladnim sredstvom. Najbolje rešenje je voda, u zatvorenom rashladnom sistemu.

Laserski medijum	Primena
CO2	Bušenje Rezanje/označavanje, graviranje
Nd	Visoko energetski impulsi Mala brzina ponavljanja (1 kHz) Bušenje
Nd-YAG	Vrlo visoki energetski impulsi Bušenje, graviranje, podešavanje

Laserski mikromlaz vode

Industrijsko rezanje laserom čelika na CNC alatnom stroju

Laserski mikromlaz vode je vrsta lasera, kod kojeg impulsni laserski zrak deluje zajedno sa mlazom vode, pod malim pritiskom. Prednost je što mlaz vode odstranjuje ostatke materijala nakon rezanja, ima veliku brzinu rezanja pločica, paralelan rez i mogućnost rezanja u više smerova.

Postupak rezanja

Kod rezanja plazmom, obično je debljina laserskog zraka manja od 0,3 mm, a moguće je ostvariti debljinu rezanja i manju od 0,1 mm. Kod rezanja treba napomenuti da prvo treba izbušiti rupu kroz materijal, a za to se koristi velika snaga lasera, i traje obično 5 do 15 sekundi, za 14 mm debljine lima od nerđajućeg čelika.

Laserski izlazni zrak je paralelan i debljine od 1,5 do 12,5 mm, a zatim se fokusira sa lećama i ogledalima na veoma malu tačku, ponekad do 0,025 mm, da se stvori laserski zrak velikog intenziteta. Da bi se ostvarila mala površinska hrapavost na materijalu, laserski zrak je potrebno polarizirati.

Rezanje isparavanjem

Kod rezanja isparavanjem, fokusiran zrak gre materijal do tačke isparavanja, stvarajući malo suženje. To suženje postaje sve dublje, budući se materijal koji isparava odstranjuje iduvavanje. Ovaj metod se koristi za drvo, ugljenik i termoplastike.

Topljenje i izduvavanje

Ovaj metod koristi gas pod velikim pritiskom za izduvavanje otopljenog materijala, sa mesta rezanja, znatno smanjujući potrebnu snagu za laser. Tom metodom se obično režu metali.

Toplotno pucanje

Staklo je veoma osetljivo na toplotne lomove, pa se laserski zrak fokusira na površinu, stvarajući toplotu na maloj površini, sve dok se ne pojavi lom. Zatim se lom vodi sa laserskim zrakom povećanom brzinom.

Odvajanje tankih pločica

Odvajanje tankih pločica poluprovodnika se vrši sa Nd:YAG laserom, koji ima radnu talasnu dužinu 1064 nm, koja je prilagođena spektralnoj liniji silicijuma (1,11 eV ili 1117 nm).

Rezanje plamenom

Taj postupak je sličan klasičnom gasnom rezanju sa kiseonikom i acetilenom, i obično se koristi za čelicne limove deblje od 1 mm. Mogu se rezati i vrlo debeli limovi, sa relativno malom snagom lasera.

Tolerancije i površinska obrada

Nove generacije lasera imaju tačnost pozicioniranja i rezanja do 0,01 mm. Standardna površinska hrapovost se povećava sa debljinom lima, ali se smanjuje što je veća snaga lasera i brzina rezanja. Tako na primer, ako se reže sa laserom snage 800 W, standardna hrapavost površine R_z je za 1 mm lim 10 μm, za lim 3 mm je 20 μm, a za lim 6 mm je 25 μm. Može se koristiti formula:

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

Gdje je S – debljina lima (mm), P – snaga lasera (kW) i V – brzina rezanja (m/min)

Rezanje plazmom može održati veoma dobre tolerancije obrade, manje od 0,025 mm. Paralelnost površine nakon obrade radnog komada može biti između 0,003 do 0,006 mm.

Rezanje plazmom sa kretanjem laserske glave

Postavke alatnog stroja

Kod rezanja plazmom uglavnom postoje 3 postavke: kretanje radnog komada, mešano kretanje i kretanje laserske glave. Uobičajeno je da se glava za rezanje označava sa Z osom, dok su ostale ose radnog komada, X i Y osa.

Kod kretanja radnog komada, laserska glava za rezanje je nepomična. Takva postavka je jednostavna, ali je i rezanje plazmom najsporije. Kod mešanog kretanja, radni komad se kreće obično po dužoj X osi, dok se laserska glava kreće po kraćoj Y osi, pa daje brže rezanje. Kada se laserska glava samo kreće, dobivaju se najveće brzine rezanja, radni komad miruje i uglavnom nije potreno stezanje. Kod najnovijih generacija laserskog rezanja, moguće je održavati celo vreme istu udaljenost između laserske glave i radnog komada, što daje najbolje rezultate.

Prednosti i nedostaci

Prednost rezanja laserom, u odnosu na klačicno mehaničko rezanje, je pre svega u jednostavnijem stezanju radnog komada i smanjuje se promena strukture materijala radnog komada, jer kod mehaničkog rezanja, alat za rezanje i radni komad su u dodiru. Preciznost rezanja je bolja, budući se laserski zrak ne troši s vremenom. Smanjena je i deformacija radnog komada nakon rezanja, a rezanje laserom stvara i malu zonu uticaja topline (ZUT), gde dolazi do promene strukture materijala i mehaničkih svojstava. Neke materijale je gotovo nemoguće rezati na tradicionalni način.

Rezanje laserom u odnosu na rezanje plazmom daje veću preciznost i troši manje energije kada se režu limovi, ali rezanje plazmom omogućuje rezanje debljih limova. Novije generacije su vrlo blizu rezanju plazmom, što se tiče debljine lima, ali su i takve mašine skuplje.

Glavni nedostatak rezanja plazmom je velika potrošnja energije. Industrijski laseri imaju stupanj efikasnosti od 5 do 15%.

Količina unesene topline za različite materijale i debljine sa CO₂ laserom (W)

Materijal	Debljina materijala (mm)
	0,5	1	2	35	6
Nehrđajući čelik	1000	1000	1000	500	250
Aluminijum	1000	1000	1000	3800	10000
Meki čelik	-	400	-	500	-
Titanijum	250	210	210	-	-
Iverica	-	-	-	-	650
Bor/epoksi	-	-	-	3000	-

Produktivnost

Za standardne industrijske procese, kao što je snaga mašine 1 kW i rezanje limova od 1 do 2 mm, rezanje laserom može biti i do 30 puta brže, u odnosu na klasične mašine za rezanje.

Brzina rezanja za različite materijale i debljine sa CO₂ laser [inch/min]

Materijal radnog komada	Debljina materijala
	0,02	0,04	0,08	0,125	0,25	0,5	inch
	0,508	1,016	2,032	3,175	6,35	12,7	mm
Nerđajući čelik	1000	550	325	185	80	18
Aluminijum	800	350	150	100	40	30
Meki čelik	-	210	185	150	100	50
Titanijum	300	300	100	80	60	40
Iverica	-	-	-	-	180	45
Bor/epoksi	-	-	-	60	60	25

Istorijske činjenice

Godine 1965. se počeo koristiti laser za bušenje dijamanta. Tu mašinu je napravio Zapadni istraživački centar elektirčnog inženjerstva. Godine 1967. u Velikoj Britaniji se počeo koristiti kiseonik za pomoć kod rezanja metala. U 1970-tim se uvodi lasersko rezanje za titanijum, u avionskoj industriji. U to vreme, CO₂ laser se prilagodio za rezanje i nemetalnih materijala, kao što je tekstil.

Vidi još

• Građa lasera
• Popis osnovnih vrsta lasera
• Rezanje plazmom
• Rezanje vodenim mlazom

Literatura

• Bromberg, Joan (1991). The Laser in America, 1950-1970. MIT Press. ISBN 978-0-262-02318-4. 
• Oberg, Erik; Jones, Franklin D.; Horton, Holbrook L.; Ryffel, Henry H. (2004). Machinery’s Handbook (27th изд.). New York, NY: Industrial Press Inc. ISBN 978-0-8311-2700-8. 
• Todd, Robert H.; Allen, Dell K.; Alting, Leo (1994). Manufacturing Processes Reference Guide. Industrial Press Inc. ISBN 978-0-8311-3049-7. 
• Bovatsek, Jim; Tamhankar, Ashwini; Patel, Rajesh (1. 11. 2012). „Ultraviolet lasers: UV lasers improve PCB manufacturing processes”. Laser Focus World. Приступљено 20. 7. 2014. 
• Meier, Dieter J.; Schmidt, Stephan H. (2002). „PCB Laser Technology for Rigid and Flex HDI – Via Formation, Structuring, Routing” (PDF). LPKF Laser and Electronics. Архивирано из оригинала (PDF) 17. 12. 2015. г. Приступљено 20. 7. 2014. 
• Gan, E.K.W.; Zheng, H.Y.; Lim, G.C. (2000). „Laser drilling of micro-vias in PCB substrates”. doi:10.1109/EPTC.2000.906394. 
• Kestenbaum, A.; D'Amico, J.F.; Blumenstock, B.J.; DeAngelo, M.A. (1990). „Laser drilling of microvias in epoxy-glass printed circuit boards”. doi:10.1109/33.62548. 
• Paulo, Davim (2013). Nontraditional Machining Processes: Research Advances. Springer. ISBN 978-1447151784. 
• Amitabh Ghosh and Asok Kumar Mallik (2010). „Unconventional Machining Processes”. Manufacturing Science (2nd изд.). East-west press. стр. 396—403. ISBN 978-81-7671-063-3. CS1 одржавање: Употреба параметра аутори (веза)

Spoljašnje veze

• 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