La introducció del tall per làser

El tall per làser és una tecnologia que utilitza un làser per vaporitzar materials, donant com a resultat un tall de tall.Tot i que s'utilitza normalment per a aplicacions de fabricació industrial, ara l'utilitzen escoles, petites empreses, arquitectura i aficionats.El tall per làser funciona dirigint la sortida d'un làser d'alta potència més habitualment a través de l'òptica.L'òptica làser i el CNC (control numèric per ordinador) s'utilitzen per dirigir el feix làser cap al material.Un làser comercial per tallar materials utilitza un sistema de control de moviment per seguir un codi CNC o G del patró que s'ha de tallar al material.El raig làser enfocat es dirigeix ​​al material, que després es fon, es crema, s'evapora o és expulsat per un raig de gas[1], deixant una vora amb un acabat superficial d'alta qualitat.

Història
El 1965, es va utilitzar la primera màquina de tall làser de producció per perforar forats en matrius de diamant.Aquesta màquina va ser fabricada pel Western Electric Engineering Research Center.[3]El 1967, els britànics van ser pioners en el tall per raig d'oxigen assistit per làser per a metalls.[4]A principis de la dècada de 1970, aquesta tecnologia es va posar en producció per tallar titani per a aplicacions aeroespacials.Al mateix temps, els làsers de CO2 es van adaptar per tallar no metalls, com ara tèxtils, perquè, en aquell moment, els làsers de CO2 no eren prou potents per superar la conductivitat tèrmica dels metalls.[5]

Procés

Tall industrial per làser d'acer amb instruccions de tall programades mitjançant la interfície CNC
El raig làser s'enfoca generalment amb una lent d'alta qualitat a la zona de treball.La qualitat del feix té un impacte directe en la mida del punt focalitzat.La part més estreta del feix enfocat és generalment inferior a 0,32 mm (0,0125 polzades) de diàmetre.Depenent del gruix del material, són possibles amplades de tall tan petites com 0,004 polzades (0,10 mm).[6]Per tal de poder començar a tallar des d'un lloc diferent de la vora, es fa una perforació abans de cada tall.La perforació sol implicar un raig làser polsat d'alta potència que lentament fa un forat al material, trigant uns 5 a 15 segons per a acer inoxidable de 0,5 polzades de gruix (13 mm), per exemple.

Els raigs paral·lels de llum coherent de la font làser sovint cauen entre 0,06 i 0,08 polzades (1,5-2,0 mm) de diàmetre.Aquest feix normalment s'enfoca i s'intensifica amb una lent o un mirall fins a un punt molt petit d'aproximadament 0,001 polzades (0,025 mm) per crear un feix làser molt intens.Per aconseguir l'acabat més suau possible durant el tall del contorn, la direcció de polarització del feix s'ha de girar a mesura que va al voltant de la perifèria d'una peça de treball contornada.Per al tall de xapa, la distància focal sol ser d'1,5 a 3 polzades (38 a 76 mm).[7]

Els avantatges del tall làser respecte al tall mecànic inclouen una subjecció més fàcil i una contaminació reduïda de la peça de treball (ja que no hi ha cap tall que pugui contaminar-se pel material o contaminar el material).La precisió pot ser millor, ja que el raig làser no es desgasta durant el procés.També hi ha una possibilitat reduïda de deformar el material que s'està tallant, ja que els sistemes làser tenen una petita zona afectada per la calor.[8]Alguns materials també són molt difícils o impossibles de tallar per mitjans més tradicionals.

El tall làser per a metalls té els avantatges respecte al tall per plasma de ser més precís[9] i utilitzar menys energia en tallar xapa;tanmateix, la majoria dels làsers industrials no poden tallar el gruix de metall més gran que el plasma.Les màquines làser més noves que funcionen a una potència més alta (6000 watts, a diferència de les primeres màquines de tall làser de 1500 watts) s'apropen a les màquines de plasma en la seva capacitat de tallar materials gruixuts, però el cost de capital d'aquestes màquines és molt més gran que el del plasma. màquines de tall capaços de tallar materials gruixuts com la planxa d'acer.[10]

Tipus

Tallador làser de CO2 de 4000 watts
Hi ha tres tipus principals de làsers utilitzats en el tall per làser.El làser de CO2 és adequat per tallar, avorrir i gravar.Els làsers de neodimi (Nd) i neodimi ittri-alumini-granat (Nd:YAG) són idèntics en estil i només difereixen en l'aplicació.Nd s'utilitza per avorrir i on es requereix una gran energia però poca repetició.El làser Nd:YAG s'utilitza quan es necessita una potència molt alta i per avorrir i gravar.Els làsers de CO2 i Nd/Nd:YAG es poden utilitzar per a la soldadura.[11]

Els làsers de CO2 s'acostumen a "bombejar" fent passar un corrent a través de la barreja de gas (excitat per CC) o utilitzant energia de radiofreqüència (excitat per RF).El mètode RF és més nou i s'ha tornat més popular.Atès que els dissenys de corrent continu requereixen elèctrodes a l'interior de la cavitat, poden trobar-se amb l'erosió dels elèctrodes i el revestiment del material d'elèctrodes en vidre i òptica.Com que els ressonadors de RF tenen elèctrodes externs, no són propensos a aquests problemes.Els làsers de CO2 s'utilitzen per al tall industrial de molts materials, com ara titani, acer inoxidable, acer suau, alumini, plàstic, fusta, fusta d'enginyeria, cera, teixits i paper.Els làsers YAG s'utilitzen principalment per tallar i traçar metalls i ceràmiques.[12]

A més de la font d'alimentació, el tipus de flux de gas també pot afectar el rendiment.Les variants habituals dels làsers de CO2 inclouen el flux axial ràpid, el flux axial lent, el flux transversal i la llosa.En un ressonador de flux axial ràpid, la barreja de diòxid de carboni, heli i nitrogen es fa circular a gran velocitat mitjançant una turbina o un ventilador.Els làsers de flux transversal fan circular la mescla de gas a una velocitat més baixa i requereixen un bufador més senzill.Els ressonadors refrigerats per lloses o per difusió tenen un camp de gas estàtic que no requereix pressurització ni material de vidre, la qual cosa comporta estalvis en turbines i cristalleria de recanvi.

El generador làser i l'òptica externa (inclosa la lent de focus) requereixen refrigeració.Depenent de la mida i la configuració del sistema, la calor residual es pot transferir mitjançant un refrigerant o directament a l'aire.L'aigua és un refrigerant d'ús comú, generalment circula a través d'un refrigerador o sistema de transferència de calor.

El microjet làser és un làser guiat per raig d'aigua en el qual un raig làser polsat s'acobla a un raig d'aigua a baixa pressió.S'utilitza per realitzar funcions de tall làser mentre s'utilitza el raig d'aigua per guiar el raig làser, com una fibra òptica, a través de la reflexió interna total.Els avantatges d'això són que l'aigua també elimina els residus i refreda el material.Els avantatges addicionals respecte al tall làser tradicional "sec" són les altes velocitats de tall, el tall paral·lel i el tall omnidireccional.[13]

Els làsers de fibra són un tipus de làser d'estat sòlid que està creixent ràpidament a la indústria del tall de metalls.A diferència del CO2, la tecnologia de fibra utilitza un mitjà de guany sòlid, a diferència d'un gas o líquid.El "làser de llavors" produeix el raig làser i després s'amplifica dins d'una fibra de vidre.Amb una longitud d'ona de només 1064 nanòmetres, els làsers de fibra produeixen una mida de punt extremadament petita (fins a 100 vegades més petita en comparació amb el CO2) pel que és ideal per tallar material metàl·lic reflectant.Aquest és un dels principals avantatges de la fibra en comparació amb el CO2.[14]

Els avantatges del tallador làser de fibra inclouen:

Temps de processament ràpids.
Reducció del consum d'energia i factures, gràcies a una major eficiència.
Major fiabilitat i rendiment: sense òptica per ajustar o alinear i sense llums per substituir.
Manteniment mínim.
La capacitat de processar materials altament reflectants com el coure i el llautó
Major productivitat: els costos operatius més baixos ofereixen un major retorn de la inversió.[15]

Mètodes
Hi ha molts mètodes diferents de tall amb làser, amb diferents tipus utilitzats per tallar diferents materials.Alguns dels mètodes són la vaporització, la fusió i el bufat, el bufat i la crema de fusió, el craqueig per estrès tèrmic, el traçat, el tall en fred i el tall per làser estabilitzat per combustió.

Tall per vaporització
En el tall per vaporització, el feix enfocat escalfa la superfície del material fins al punt d'inflamació i genera un forat.El forat de la pany provoca un augment sobtat de l'absorció que aprofundeix ràpidament el forat.A mesura que el forat s'aprofundeix i el material bull, el vapor generat erosiona les parets foses expulsant-se i augmentant encara més el forat.Els materials que no es fonen com la fusta, el carboni i els plàstics termoestables solen tallar-se amb aquest mètode.
Fondre i bufar
El tall de fusió i bufat o fusió utilitza gas d'alta pressió per bufar material fos de la zona de tall, disminuint molt el requeriment d'energia.Primer, el material s'escalfa fins al punt de fusió i després un raig de gas expulsa el material fos del tall evitant la necessitat d'augmentar la temperatura del material més.Els materials tallats amb aquest procés solen ser metalls.

Cracking per estrès tèrmic
Els materials fràgils són especialment sensibles a la fractura tèrmica, una característica que s'aprofita en l'esquerdament per tensió tèrmica.Un feix es centra a la superfície provocant un escalfament localitzat i una expansió tèrmica.Això dóna lloc a una esquerda que després es pot guiar movent la biga.L'esquerda es pot moure en ordre de m/s.Normalment s'utilitza en el tall de vidre.

Daus furtius d'hòsties de silici
Més informació: Daus d'hòsties
La separació de xips microelectrònics tal com es preparen en la fabricació de dispositius semiconductors a partir d'hòsties de silici es pot dur a terme mitjançant l'anomenat procés de tall furtiu, que funciona amb un làser Nd:YAG polsat, la longitud d'ona del qual (1064 nm) està ben adaptada a l'electrònica. interval de banda de silici (1,11 eV o 1117 nm).

Tall reactiu
També s'anomena "tall de gas làser estabilitzat com a crema", "tall amb flama".El tall reactiu és com el tall amb torxa d'oxigen, però amb un raig làser com a font d'encesa.S'utilitza principalment per tallar acer al carboni en gruixos superiors a 1 mm.Aquest procés es pot utilitzar per tallar plaques d'acer molt gruixudes amb relativament poca potència làser.

Toleràncies i acabat superficial
Els talladors làser tenen una precisió de posicionament de 10 micròmetres i una repetibilitat de 5 micròmetres.

La rugositat estàndard Rz augmenta amb el gruix de la làmina, però disminueix amb la potència del làser i la velocitat de tall.Quan es talla acer baix en carboni amb una potència làser de 800 W, la rugositat estàndard Rz és de 10 μm per a un gruix de xapa d'1 mm, 20 μm per a 3 mm i 25 μm per a 6 mm.

{\displaystyle Rz={\frac {12,528\cdot S^{0,542}}{P^{0,528}\cdot V^{0,322}}}}{\displaystyle Rz={\frac {12,528\cdot S^{0,542 }}{P^{0,528}\cdot V^{0,322}}}}
On: {\displaystyle S=}S= gruix de xapa d'acer en mm;{\displaystyle P=}P= potència làser en kW (alguns nous talladors làser tenen una potència làser de 4 kW);{\displaystyle V=}V= velocitat de tall en metres per minut.[16]

Aquest procés és capaç de mantenir toleràncies força properes, sovint fins a 0,001 polzades (0,025 mm).La geometria de les peces i la solidesa mecànica de la màquina tenen molt a veure amb les capacitats de tolerància.L'acabat de la superfície típic que resulta del tall per raig làser pot oscil·lar entre 125 i 250 micropolzades (0,003 mm a 0,006 mm).[11]

Configuracions de la màquina

Làser òptica voladora de doble palet

Capçal làser d'òptica voladora
En general, hi ha tres configuracions diferents de màquines de tall per làser industrials: materials mòbils, híbrids i sistemes òptics voladors.Es refereixen a la manera en què el raig làser es mou sobre el material a tallar o processar.Per a tots aquests, els eixos de moviment es designen normalment com a eix X i Y.Si es pot controlar el capçal de tall, es designa com a eix Z.

Els làsers de material en moviment tenen un capçal de tall estacionari i mouen el material per sota.Aquest mètode proporciona una distància constant des del generador làser fins a la peça de treball i un únic punt des del qual eliminar l'efluent de tall.Requereix menys òptica, però requereix moure la peça.Aquesta màquina d'estil tendeix a tenir menys òptica de lliurament de feix, però també tendeix a ser la més lenta.

Els làsers híbrids proporcionen una taula que es mou en un eix (normalment l'eix X) i mou el cap al llarg de l'eix més curt (Y).Això es tradueix en una longitud del camí de lliurament del feix més constant que una màquina òptica voladora i pot permetre un sistema de lliurament del feix més senzill.Això pot provocar una pèrdua de potència reduïda al sistema de lliurament i més capacitat per watt que les màquines òptiques voladores.

Els làsers d'òptica voladora inclouen una taula estacionària i un capçal de tall (amb raig làser) que es mou sobre la peça de treball en les dues dimensions horitzontals.Els talladors òptics volants mantenen la peça estacionària durant el processament i sovint no requereixen subjectar el material.La massa en moviment és constant, de manera que la dinàmica no es veu afectada per la mida variable de la peça.Les màquines òptiques voladores són del tipus més ràpid, la qual cosa és avantatjosa quan es tallen peces de treball més primes.[17]

Les màquines òptiques voladores han d'utilitzar algun mètode per tenir en compte la longitud del feix canviant des del tall de camp proper (a prop del ressonador) fins al tall de camp llunyà (allunyat del ressonador).Els mètodes habituals per controlar-ho inclouen la col·limació, l'òptica adaptativa o l'ús d'un eix de longitud de feix constant.

Les màquines de cinc i sis eixos també permeten tallar peces formades.A més, hi ha diversos mètodes per orientar el raig làser cap a una peça de treball amb forma, mantenint una distància d'enfocament adequada i una separació del broquet, etc.

Pulsant
Els làsers polsats que proporcionen una ràfega d'energia d'alta potència durant un període curt són molt efectius en alguns processos de tall làser, especialment per a la perforació, o quan es requereixen forats molt petits o velocitats de tall molt baixes, ja que si s'utilitzava un raig làser constant, la calor podria arribar al punt de fondre tota la peça que es talla.

La majoria dels làsers industrials tenen la capacitat de polsar o tallar CW (ona contínua) sota el control del programa NC (control numèric).

Els làsers de doble pols utilitzen una sèrie de parells de polsos per millorar la taxa d'eliminació de material i la qualitat del forat.Essencialment, el primer pols elimina el material de la superfície i el segon evita que l'ejecta s'adhereixi al costat del forat o tall.[18]