برش لیزر

برش cnc لیزر فناوری است که در آن از اشعه لیزر برای برش اجسام استفاده می‌شود؛ و نوعاً از این فناوری در زمینه صنعت استفاده می‌شود. برش لیزری توسط استعمال اشعه لیزر از یک خروجی قوی لیزر روی اجسامی که می‌خواهند بریده شوند انجام می‌شود. قسمتی از جسم مورد نظر که بریده می‌شود یا آب می‌شود یا می‌سوزد یا تصعید می‌شود و توسط فشار گاز از روی جسم پاک می‌شود؛ و سر انجام سطح بریده شده با کیفیت خیلی عالی ایجاد می‌شود. لیزر صنعتی در صنایع مختلفی مانند صنایع نظامی، ساختمانی، هوافضا، پزشکی، آزمایشگاهی و پژوهشی، ارتباطاتی، فیزیک، شیمی و … کاربرد دارد.

تاریخچه

درسال ۱۹۶۵ اولین دستگاه برش‌لیزری برای ایجاد سوراخ در قالب‌های الماس استفاده شده است. این دستگاه توسط مرکز تحقیقات Western Electric Engineering ساخته شد.[۱] در سال۱۹۶۷ بریتانیا در ساخت دستگاه برش‌لیزری به کمک جت اکسیژن برای برش فلزات پیش‌گام شد.[۲] در اوایل سال۱۹۷۰ این تکنولوژی در کاربردهای هوافضا برای برش تیتانیم به‌کار گرفته شد. در همان موقع لیزرهای CO2 برای برش غیر فلزات مانند:پارچه و … به‌کار گرفته شد؛ چراکه در آن زمان لیزر CO2 به اندازه کافی برای غلبه بر هدایت حرارتی فلزات قدرت‌مند نبود.[۳]

نحوهٔ عملکرد

اشعهٔ لیزر از طریق تحریک مواد مولد لیزر توسط تخلیهٔ الکتریکی یا تابش یک لامپ در یک محفظه بسته تولید می‌شود. با تحریک مادهٔ مولد لیزر پرتو با استفاده از تکه‌های آینه منعکس می‌شود تا انرژی لازم برای تبدیل شدن به یک جریان نورتک‌رنگ‌منسجم را به دست آورد. آینه یا فیبر نوری معمولاً برای هدایت نور منسجم به لنز دستگاه استفاده می‌شود. این لنز در نقطهٔ کاری دستگاه متمرکز شده است. باریک‌ترین قسمت پرتو متمرکز شده قطری کمتر از ۰/۳۲میلی‌متر دارد.

مزایای برش لیزری

سهولت در به‌کارگیری، کیفیت و تمیزی (عدم وجود لبه‌های اضافی در قسمت‌های برش خورده) محصول نهایی از مزایای استفاده از برش لیزری به جای برش‌های مکانیکی و سنتی است. از آنجایی که از ابتدای شروع عملیات برش تا پایان کار، پرتو لیزر به صورت مداوم و یکنواخت عمل برش را انجام می‌دهد، دقت کار افزایش می‌یابد.

برش لیزری به علت دقت بالاتر و مصرف انرژی کمتر در هنگام برش، مزیت بیشتری نسبت به برش پلاسما دارد. با این وجود اغلب دستگاه‌های برش لیزری نمی‌توانند ضخامتی بیشتر از ضخامت برش دستگاه‌های پلاسما را برش دهند. امروزه دستگاه‌های برش لیزری قوی‌تری نیز در حال تولید است تا بتوانند ضخامت‌های بیشتری را برش دهند اما هزینهٔ تمام شدهٔ این دستگاه‌ها بیشتر از دستگاه‌های برش پلاسما است.

انواع لیزرهای مورد استفاده

لیزرها انواع مختلفی مانند لیزر گازی، لیزر شیمیایی، لیزر رادیواکتیو، لیزر جامد، لیزر فیبری و … دارند، اما در صنعت از دو نوع لیزرهای گازی و جامد استفاده می‌شود. لیزرهای پرکاربرد استفاده شده در دستگاه‌های برش لیزر صنعتی عبارتند از:
۱) لیزر CO2 که برای برش، حکاکی و تضعیف ماده مناسب است.
۲)لیزرهای نئودیمیم(Nd) و لیزرهای نئودیمیم-ایتریم-آلومینیوم-گارنت(Nd-YAG) می‌باشند. این دو لیزر سبک و روشی یکسان دارند و تفاوت آنها در کاربردشان می‌باشد. لیزر Nd برای تضعیف ماده و در مواقعی که قدرت زیاد و تکرار پذیری بالا مدنظر است به کار می‌رود. لیزر Nd-YAG برای تضعیف ماده و حکاکی روی قطعه و در مواقعی که قدرت بسیار زیاد مورد نیاز است، استفاده می‌شود.
هرسه نوع لیزر یاد شده را می‌توان برای جوشکاری نیز استفاده کرد.
لیزر CO2 برای برشکاری صنعتی بسیاری از مواد از جمله فولاد، آلومینیوم، فولاد ضدزنگ، تیتانیم، کاغذ، موم، پلاستیک، چوب و پاچه استفاده می‌شود. لیزر YAG در درجهٔ اول برای برش و حکاکی فلزات و سرامیک‌ها استفاده می‌شود.
ژنراتور دستگاه لیزر و اپتیک خارجی (لنز فوکوس کننده) نیاز به خنک کاری دارند. بسته به اندازه و پیکربندی دستگاه، گرمای اضافی ممکن است مستقیماً یا توسط یک خنک‌کننده به هوا منتقل شود. معمولاً از آب به عنوان خنک‌کننده استفاده می‌شود که توسط سیستم خنک‌کننده به گردش در می‌آید.

لیزرهای پیشرفته تر

• لیزر Microjet هدایت پرتو لیزر به وسیلهٔ جت آب است. در این دستگاه پرتو لیزر با جت آب کم فشار همراه است. لیزر وظیفه اصلی برش را برعهده دارد درحالی که جت آب پرتو لیزر را هدایت می‌کند. عمل هدایت پرتو از طریق بازتاب داخلی کلی انجام می‌شود. مانند آنچه که در فیبر نوری اتفاق می‌افند. در این روش، آب علاوه بر از بین بردن اثرات تخریبی ناشی از برش، سطح ماده را نیز خنک‌کاری می‌کند که ازجمله مزایای این روش به حساب می‌آید.[۴]
• لیزر فیبر، یک نوع از لیزرهای حالت جامد است که به سرعت در صنعت برش فلز در حال رشد است. برخلاف لیزر CO2 تکنولوژی فیبر با بهره‌گیری ازمحیط جذب جامد به عنوان گاز یا مایع مخالف عمل می‌کند. دانهٔ لیزر پرتوی لیزر را تولید می‌کند و پس از آن پرتو در الیاف شیشه‌ای(Glass Fiber) تقویت می‌شود. با طول موجی در حدود ۱/۰۶۴ میکرومتر لیزر فیبر، نقطه اثر بسیار کوچکی(۱۰۰ برابر کوچکتر از نقطهٔ اثر لیزر CO2) ایجاد می‌کند که این نوع لیزر را برای برش مواد فلزی بازتابنده، موثر می‌سازد.[۵]

انواع روش‌های برش فلزات توسط لیزر

روش‌های مختلفی در برش با استفاده از لیزر وجود دارد. برخی از این روش‌ها عبارتند از:
۱) تبخیر ماده
۲) ذوب ماده به همراه دمیدن گاز پرفشار
۳) سوزاندن
۴) ایجاد شکاف به وسیله تنش‌های حرارتی
۵) برش سرد

• برش تبخیری: در این روش حرارت پرتو متمرکز شده، دمای نقطه اثر رابه دمای نقطهٔ جوش می‌رساند و موجب تبخیر ماده و ایجاد حفره می‌شود. این روش برای برش موادی استفاده می‌شود که ذوب نمی‌شوند مانند:چوب، کربن و پلاستیک‌های ترموست.
• برش ذوبی به همراه دمیدن گاز پرفشار: در این روش ابتدا پرتوی لیزر، ماده مورد نظر را در نقطهٔ کاری به دمای نقطه ذوب می‌رساند. بلافاصله با استفاده از جریان پرفشار یک گاز (معمولا هوا) به نقطهٔ مورد نظر ضربه ای وارد شده و باعث ریزش مواد ذوب شده از روی جسم مورد نظر می‌شود. در این روش نیازی به بالا بردن دما به اندازه ای بیشتر از نقطهٔ ذوب ماده نیست در نتیجه دستگاه قدرت مصرفی کمتری دارد. از این روش عموماً برای برش فلزات استفاده می‌شود.
• برش با ایجاد شکاف به وسیله تنش‌های حرارتی: مواد ترد به شکستگی حرارتی حساس می‌باشند. از این ویژگی مواد ترد در روش یاد شده استفاده می‌شود. اشعهٔ لیزر روی سطح ماده متمرکز شده و باعث ایجاد حرارت موضعی و انبساط حرارتی می‌شود. این عمل باعث ایجاد شکاف در ماده شده و با حرکت دادن پرتو می‌توان آن را هدایت کرد تا برش مد نظر اتفاق بیفتد. این روش عموماً برای برش لیزری شیشه‌ها و مواد شیشه مانند استفاده می‌شود.

تلرانس و پرداخت سطح

برش‌های لیزری جدید دارای دقتی در حدود ۲۵ میکرومتر(۰٫۰۱ میلی‌متر) هستند.
زبری استانداردسطح (Rz) با ضخامت ورق افزایش می‌یابد اما با قدرت لیزر و سرعت برش کاهش می‌یابد.[۶]

مصرف انرژی

مهمترین اشکال دستگاه‌های برش لیزر مصرف زیاد برق آن‌ها است. بازدهی لیزرهای صنعتی چیزی در حدود ۵ تا ۴۵ درصد است.[۷] مقدار قدرت مورد نیاز برای برش لیزر در یک کار بخصوص به نوع ماده، ضخامت، روش مورد استفاده و نرخ برش مدنظر، بستگی دارد.

نرخ تولید و برش

حداکثر نرخ برش توسط عواملی چون قدرت لیزر، ضخامت ماده، نوع فرایند مورد استفاده و خواص مواد محدود شده است. برای همهٔ مقاصد و اهداف، یک لیزر می‌تواند تا ۳۰ برابر سریع‌تر از یک ارهٔ استاندارد باشد.[۸] دستگاه‌های برش CNC با هدایت کامپیوتری و توسط لیزری که از آنها متساطع می‌شود عملیات مختلفی مانند برش لیزری، حک لیزری و … را انجام می‌دهند. این دستگاه‌ها مزایای زیادی دارند، مثلاً سرعت بسیار بالایی دارند و با توجه به هدایت شدن توسط کامپیوتر، خروجی‌های کاملاً یکسانی دارند.

برش لیزر روی فلز

مزاياي برش ليزر

دقت برش ليزر : دقت برش ليزر فلزات بسيار بالاتر از روشهاي مشابه مانند cnc مي باشد و بسته به ضخامت قطعه بين ۰٫۰۲ تا ۰٫۱ دقت قابل انتظار است.

عدم ايجاد تغييرات گرمايي: در برش ليزر فلزات باتوجه به استفاده از اشعه ليزر بسيار كانوني براي برش فلزات تغيير دماي قطعه قبل و بعد از برش بسيار ناچيز مي باشد اين امر باعث حفظ خواص مكانيكي و فيزيكي قطعه برش كاري شده توسط ليزري مي گردد.

سازگاري با AutoCad : از آنجا كه سيستم كنترل برش ليزر با تکنولوژی CNC مي باشد به راحتي مي توان فايلهاي برش ليزر طراحي شده توسط نرم افزار AutoCad ،Artcam و سایر نرم افزار های طراحی صنعتی را به عنوان نقشه برش ليزري قطعات فلز استفاده نمود.

عدم تماس فيزيكي : در برش ليزري فلزات فشار فيزيكي بر روي قطعه در حال برش و جود ندارد و در لبه هاي قطعه برش خورده توسط ليزر هيچگونه له شدگي و جود ندارد.اين امر تكنولوژي برش ليزري فلزات را در ساخت قطعات حساس بسيار با اهميت مي گرداند.

برشكاري نقوش پيچيده : در تكنولوژي برش ليزري فلزات امكان برش نقوش پيچيده بر روي فلزات به سادگي فراهم ميباشد . به عبارت ديگر هر نقشه دو بعدي که توسط نرم افزار های طراحی ساخته می شود روی فلز قابل اجرا است و هیچ محدودیتی در پیچیدگی نقوش طراحی وجود ندارد.

نمونه سازي سريع : از تكنولوژي برش ليزري فلزات مي توان به عنوان نمونه سازي قبل از توليد بر اساس طرح گسترده قطعات با فرمت AutoCad استفاده كرد. و سپس آزمایش های مورد نیاز را روی قطعه انجام داده و نسبت به رفع مشکلات آن اقدام کرد.

خط برش: مزیت مهم برش لیزر باریک بودن خط برش (۲/۰ میلی متر) می باشد که این قابلیت باعث بالا بردن استفاده از مواد مصرفی با کاهش پرت ورق است. همچینی برای قطعاتی که نیاز به برش کاری ظریف دارند برش لیزر بهترین گزینه موجود است.

خط برش لیزر

عدم نياز به قالب برش : با استفاده از تكنولوژي برش ليزري فلزات ديگر نيازي به هزينه هاي سنگين ساخت قالبهاي برش نيست. و تنها با داشتن یک نقشه از طرح می توان قطعه مورد نظر را تولید کرد. تكنولوژي برش ليزري فلزات در ساخت قطعات با تيراژهاي نه چندان زياد انتخابي هوشمندانه و البته اقتصادي است.