Rezanje laserom

Izvor: Wikipedija
Skoči na: orijentacija, traži
Usporedba CAD (Computer Aid Design) tehnologije i nehrđajući čelik rezan laserom (dolje)

Rezanje laserom je tehnologija koja koristi laser za rezanje materijala, i uglavnom se koristi za industrijsku primjenu, ali sve češće se koristi i u školama, malim poduzećima i kod hobista. Rezanje laserom radi tako da se direktno kontrolira izlazna snaga lasera, djelujući obično kompjuterom. Materijal se ili topi, ili izgara, ili isparava, ili ga otpuhne mlaz zraka pod pritiskom, ostavljajući visoko kvalitetne rubove reza. Ne režu se samo limovi, nego i profili i cijevi. [1]

Vrste lasera[uredi VE | uredi]

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 primjeni. Nd laser se koristi za bušenje, gdje je potreba 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. [2]

CO2 laseri obično za lasersku pumpu koriste prolaz električne struje kroz mješavinu plina (istosmjerna struja) ili korištenjem radio frekventne energije, koja je novija metoda. Budući da pobuda sa istosmjernom strujom, zahtijeva 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, aluminij, nehrđajući čelik, titanij, 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 utjecati i način mješanja i protoka plina unutar optičkog rezonatora. Kod brzih aksijalnih protoka, mješavina ugljičnog dioksida, helija i dušika, kruži sa velikim brzinama, pogonjena turbinom ili ventilatorom. Kod poprečnog toka, mješavina zraka se miješa s manjim brzinama i za to treba manji ventilator. Kod novijih rješenja, imamo difuziono hlađenje sa statičkim poljem izvana, tako da se štedi na održavanju i zamjeni dijelova.

Stvaranje laserskih zraka i vanjska optika (uključujući i fokusne leće), trebaju hlađenje. Ovisno o veličini i rasporedu, ogromna količina topline treba biti odvođena s rashladnim sredstvom. Najbolje rješenje je voda, u zatvorenom rashladnom sistemu.

Laserski medij Primjena
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[uredi VE | uredi]

IIndustrijsko rezanje laserom čelika na CNC alatnom stroju

Laserski mikromlaz vode je vrsta lasera, kod kojeg impulsna laserska zraka djeluje zajedno sa mlazom vode, pod malim tlakom. Prednost je što mlaz vode odstranjuje ostatke materijala nakon rezanja, ima veliku brzinu rezanja pločica, paralelan rez i mogućnost rezanja u više smjerova. [3]

Postupak rezanja[uredi VE | uredi]

Kod rezanja plazmom, obično je debljina laserske zrake 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 nehrđajućeg čelika.

Laserska izlazna zraka je paralelna i debljine od 1,5 do 12,5 mm, a zatim se fokusira sa lećama i ogledalima na veoma malu točku, ponekad do 0,025 mm, da se stvori laserska zraka velikog intenziteta. Da bi se ostvarila mala površinska hrapavost na materijalu, lasersku zraku je potrebno polarizirati. [4]

Rezanje isparavanjem[uredi VE | uredi]

Kod rezanja isparavanjem, fokusirana zraka grije materijal do točke isparavanja, stvarajući malo suženje. To suženje postaje sve dublje, budući se materijal koji isparava odstranjuje ispuhivanjem. Ova metoda se koristi za drvo, ugljik i termoplastike.

Topljenje i ispuhivanje[uredi VE | uredi]

Ova metoda koristi plin pod velikim tlakom za ispuhivanje otopljenog materijala, sa mjesta rezanja, znatno smanjujući potrebnu snagu za laser. Tom metodom se obično rezu metali.

Toplinsko pucanje[uredi VE | uredi]

Staklo je veoma osjetljivo na toplinske lomove, pa se laserska zraka fokusira na površinu, stvarajući toplinu na maloj površini, sve dok se ne pojavi lom. Zatim se lom vodi sa laserskom zrakom povećanom brzinom.

Odvajanje tankih pločica[uredi VE | uredi]

Odvajanje tankih pločica poluvodiča se vrči sa Nd:YAG laserom, koji ima radnu valnu duljinu 1064 nm, koja je prilagođena spektralnoj liniji silicija (1,11 eV ili 1117 nm).

Rezanje plamenom[uredi VE | uredi]

Taj postupak je sličan klasičnom plinskom rezanju sa kisikom 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[uredi VE | uredi]

Nove generacije lasera imaju točnost 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 primjer, ako režemo s laserom snage 800 W, standardna hrapavost površine Rz 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:

Rz = 12,528 x(S0.542) x (P0,528) x (V0,322) [μm]

Gdje je S – debljina lima (mm), P – snaga lasera (kW) i V – brzina rezanja (m/min) [5]

Rezanje plazmom može održati veoma dobre tolerancije obrade, manje od 0,025 mm. Paralelnost plohe nakon obrade radnog komada može biti između 0,003 do 0,006 mm. [2]

Rezanje plazmom sa kretanjem laserske glave

Postavke alatnog stroja[uredi VE | uredi]

Kod rezanja plazmom uglavnom postoje 3 postavke: kretanje radnog komada, miješano kretanje i kretanje laserske glave. Uobičajeno je da se glava za rezanje označuje sa Z osi, dok su ostale osi radnog komada, X i Y os.

Kod kretanja radnog komada, laserska glava za rezanje je nepomična. Takva postavka je jednostavna, ali je i rezanje plazmom najsporije. Kod miješanog 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 cijelo vrijeme istu udaljenost između laserske glave i radnog komada, što daje najbolje rezultate. [6]

Prednosti i nedostaci[uredi VE | uredi]

Prednost rezanja laserom, u odnosu na klačicno mehaničko rezanje, je prije svega u jednostavnijem stezanju radnog komada i smanjuje se promjena strukture materijala radnog komada, jer kod mehaničkog rezanja, alat za rezanje i radni komad su u dodiru. Preciznost rezanja je bolja, budući se laserska zraka ne troši s vremenom. Smanjena je i deformacija radnog komada nakon rezanja, a rezanje laserom stvara i malu zonu utjecaja topline (ZUT), gdje dolazi do promjene 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 takvi strojevi skuplji.

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


Količina unešene topline za različite materijale i debljine sa CO2 laserom (W)[7]
Materijal Debljina materijala (mm)
0,5 1 2 35 6
Nehrđajući čelik 1000 1000 1000 500 250
Aluminij 1000 1000 1000 3800 10000
Meki čelik - 400 - 500 -
Titanij 250 210 210 - -
Iverica - - - - 650
Bor/epoksi - - - 3000 -

Produktivnost[uredi VE | uredi]

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

Brzina rezanja za 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
Nehrđajući čelik 1000 550 325 185 80 18
Aluminij 800 350 150 100 40 30
Meki čelik - 210 185 150 100 50
Titanij 300 300 100 80 60 40
Iverica - - - - 180 45
Bor/epoksi - - - 60 60 25

Povijesne činjenice[uredi VE | uredi]

1965. se počeo koristiti laser za bušenje dijamanta. 1967. u Velikoj Britaniji se počeo koristiti kisik za pomoć kod rezanja metala. U 1970-tim se uvodi lasersko rezanje za titanij, u avionskoj industriji. U to vrijeme, CO2 laser se prilagodio za rezanje i nemetalnih materijala, kao što je tekstil. [8]

Poveznice:[uredi VE | uredi]

Vanjske poveznice[uredi VE | uredi]

Izvori[uredi VE | uredi]

  1. Oberg, p. 1447.
  2. 2,0 2,1 Todd, p. 186.
  3. Perrottet, D et al.,"Heat damage-free Laser-Microjet cutting achieves highest die fracture strength", Photon Processing in Microelectronics and Photonics IV, edited by J. Fieret, et al., Proc. of SPIE Vol. 5713 (SPIE, Bellingham, WA, 2005)
  4. Todd, p. 188.
  5. Research on surface roughness by laser cut by Miroslav Radovanovic and Predrag Dašić
  6. Caristan, Charles L. (2004). Laser cutting guide for manufacturing, SME. ISBN 9780872636866
  7. Todd, Allen & Alting 1994.
  8. Bromberg 1991.