TAGLIO LASER: DAL PRIMO PRINCIPIO ALLA STATO DELL'ARTE

Astratto

  Questo documento presenta una panoramica del tema del taglio laser. Gli argomenti trattati includono; Interazioni laser-materiali, diversi tipi di laser, la crescita tecnica e commerciale del taglio laser e lo stato dell'arte.

Primi principi

  La maggior parte del taglio laser viene effettuata utilizzando laser CO2 o Nd: YAG. I principi generali del taglio sono simili per entrambi i tipi di laser, anche se i laser a CO2 dominano il mercato per motivi, che saranno discussi più avanti nel documento.

  Il meccanismo di base del taglio laser è estremamente semplice e può essere riassunto come segue:

  1. Un raggio ad alta intensità di luce infrarossa è generato da un laser.

  2. Questo raggio è focalizzato sulla superficie del pezzo in lavorazione per mezzo di una lente.

  3. Il fascio focalizzato riscalda il materiale e stabilisce un fuso molto localizzato (generalmente più piccolo di 0,5 mm di diametro) lungo tutta la profondità del foglio.

  4. Il materiale fuso viene espulso dall'area mediante un getto di gas pressurizzato che agisce in modo coassiale con il raggio laser come mostrato nella figura 1. (NB Con alcuni materiali questo getto di gas può accelerare il processo di taglio facendo lavori chimici e fisici. Ad esempio, gli acciai al carbonio o miti vengono generalmente tagliati in un getto di ossigeno puro: il processo di ossidazione avviato dal riscaldamento del laser genera il proprio calore e ciò aumenta notevolmente l'efficienza del processo.)

5. Questa area localizzata di rimozione del materiale viene spostata attraverso la superficie del foglio generando così un taglio. Il movimento si ottiene manipolando il punto laser focalizzato (con gli specchi CNC) o spostando meccanicamente il foglio su un tavolo X-Y CNC. I sistemi "ibridi" sono disponibili anche quando il materiale viene spostato su un asse e il punto laser spostato nell'altro. Sono disponibili sistemi completamente robotizzati per la profilatura di forme tridimensionali. I laser Nd: YAG possono utilizzare fibre ottiche anziché specchi, ma questa opzione non è disponibile per il laser a CO2 con lunghezza d'onda maggiore.

  Figura 1. Uno schema di taglio laser. Il supporto dell'obiettivo o l'ugello (o entrambi) possono essere regolati da sinistra a destra o dentro e fuori dal piano dello schizzo. Ciò consente la centralizzazione del fascio focalizzato con l'ugello. È anche possibile regolare la distanza verticale tra l'ugello e l'obiettivo.

  Prima di passare a una descrizione più dettagliata del processo di taglio, ora è un buon momento per riassumere i vantaggi del taglio laser.

  A. Il processo si riduce ad alta velocità rispetto ad altri metodi di profilazione. Ad esempio un laser CO2 da 1500 W taglierà l'acciaio dolce di 2 mm di spessore a 7,5 mmin-1. La stessa macchina taglierà un foglio di acrilico dello spessore di 5 mm a ~ 12 min-1.

  B. Nella maggior parte dei casi (ad esempio i due esempi sopra riportati) i componenti tagliati saranno pronti per il servizio immediatamente dopo il taglio senza alcuna successiva operazione di pulizia.

  C. La larghezza del taglio (larghezza del kerf) è estremamente stretta (tipicamente da 0,1 a 1,0 mm). Lavori molto dettagliati possono essere eseguiti senza le restrizioni di un raggio interno minimo imposto da fresatrici e metodi meccanici simili.

  D. Il processo può essere completamente controllato da CNC. Questo, combinato con la mancanza di necessità per complessi schemi di jigging, significa che un cambio di lavoro dal componente di taglio "A" dell'acciaio al componente di taglio "B" del polimero può essere eseguito in pochi secondi. (Nota Nd: i laser YAG non possono tagliare la maggior parte delle materie plastiche perché sono trasparenti alla luce laser Nd: YAG).

  E. Sebbene il taglio laser sia un processo termico, l'area effettiva riscaldata dal laser è molto piccola e la maggior parte di questo materiale riscaldato viene rimosso durante il taglio. Pertanto, l'input termico della maggior parte del materiale è molto basso, le zone termicamente alterate sono ridotte al minimo e la distorsione termica viene generalmente evitata.

  F. È un processo senza contatto, il che significa che il materiale deve essere solo leggermente serrato o semplicemente posizionato sotto il raggio. I materiali flessibili o inconsistenti possono essere tagliati con grande precisione e non si deformano durante il taglio, come quando si tagliano con metodi meccanici.

  G. A causa della natura CNC del processo, della ristrettezza della larghezza della pala e della mancanza di forza meccanica sul foglio da tagliare, i componenti possono essere disposti in modo da "annidarsi" molto vicini tra loro. Quindi, lo spreco di materiale può essere ridotto al minimo. In alcuni casi questo principio può essere esteso fino a quando non vi è alcun materiale di scarto tra bordi simili di componenti adiacenti.

H. Sebbene il costo di capitale di una macchina per il taglio laser sia notevole, i costi di gestione sono generalmente bassi. Esistono molti casi industriali in cui una grande installazione si è ripagata in meno di un anno.

  I. Il processo è estremamente silenzioso rispetto alle tecniche concorrenti, un fattore che migliora l'ambiente di lavoro e l'efficienza o il personale operativo.

  J. Le macchine da taglio laser sono estremamente sicure da usare rispetto a molte delle loro controparti meccaniche.

  Un confronto tra CO2 e taglio laser Nd: YAG.

  I laser CO2 e Nd: YAG generano entrambi fasci ad alta intensità di luce a infrarossi che possono essere focalizzati e utilizzati per il taglio.

  Molto meno i laser Nd: YAG sono venduti come macchine da taglio rispetto ai laser a CO2. Questo perché per le applicazioni generali di taglio, i laser a CO2 sono i più efficaci. I laser Nd: YAG sono solo preferiti:

  A. Se è richiesto un lavoro dettagliato molto fine nel materiale della sezione sottile.

  B. Se i materiali altamente riflettenti come rame o leghe di argento devono essere tagliati su base regolare,

O

  C. Se si utilizza una fibra ottica per trasportare il raggio laser sul pezzo da lavorare.

  Sebbene entrambi i laser CO2 e Nd: YAG generano luce infrarossa, la lunghezza d'onda della luce laser CO2 è dieci volte superiore a quella delle macchine Nd: YAG (rispettivamente 10,6 micron e 1,06 micron). Poiché la luce laser Nd: YAG ha una lunghezza d'onda più corta, presenta tre vantaggi rispetto alla luce laser a CO2:

  1. La luce laser Nd: YAG può essere focalizzata in un punto * più piccolo della luce laser CO2. Ciò significa che è possibile ottenere un lavoro più dettagliato e dettagliato (ad esempio le lancette dell'orologio ornamentale).

  2. La luce laser Nd: YAG si riflette meno facilmente dalle superfici metalliche. Per questo motivo i laser Nd: YAG sono adatti per lavorare su metalli altamente riflettenti come l'argento.

  3. Nd: la luce YAG può attraversare il vetro (la luce CO2 non può). Ciò significa che è possibile utilizzare lenti in vetro di alta qualità per mettere a fuoco il fascio fino a una dimensione minima dello spot *. Inoltre, le fibre ottiche al quarzo possono essere impiegate per portare la trave a distanze relativamente lunghe rispetto al pezzo. Ciò ha portato all'uso diffuso dei laser Nd: YAG sulle linee di produzione automobilistica, laddove lo spazio disponibile sulle linee è limitato.

  * Nota: se si utilizza una fibra ottica, la capacità della luce laser Nd: YAG di essere focalizzata su un punto molto piccolo potrebbe andare persa se la potenza media è superiore a 100 Watt. La dimensione dello spot focalizzata dopo aver viaggiato attraverso una fibra ottica potrebbe essere maggiore di un punto laser CO2.

  Anche la luce laser Nd: YAG a lunghezza d'onda più corta presenta uno dei principali svantaggi:

  1 La maggior parte dei materiali organici (ad esempio materie plastiche, prodotti a base di legno, pelle, gomme naturali, ecc.) Sono trasparenti alla luce laser Nd: YAG. Per questo motivo non possono essere tagliati dai laser Nd: YAG. Se la potenza del laser è bassa o la dimensione del punto focalizzato è grande, la luce passa attraverso il materiale senza riscaldarlo abbastanza da tagliarlo. Se l'intensità del raggio laser viene aumentata, aumentando la potenza o riducendo le dimensioni dello spot, il materiale alla fine reagirà con un'esplosione localizzata che potrebbe produrre uno strappo o un foro.

La situazione con non metalli inorganici (ad esempio ceramiche, vetri, carbonio, ecc.) È piuttosto complessa. I laser a CO2 possono essere utilizzati per tagliare una grande percentuale di questi materiali, ma, ancora una volta, le macchine Nd: YAG possono incorrere in problemi di trasparenza dei materiali (questo è vero per esempio per vetro e quarzo). Una storia di successo per entrambi i tipi di laser è la profilazione di substrati ceramici per l'industria elettronica. In alcuni casi i filler inorganici utilizzati per colorare o indurire la plastica possono renderli adatti al taglio Nd: YAG. In generale, tuttavia, il taglio dei polimeri viene effettuato solo da laser a CO2.

  In sintesi, i laser Nd: YAG possono essere utilizzati per tagliare dettagli fini, oppure possono essere utilizzati con una fibra ottica, nel qual caso non sarà possibile ottenere dettagli minimi (eccetto quando si tagliano pellicole o maschere sottili a potenza inferiore). Sono particolarmente adatti per tagliare leghe ad alta riflettività, ma non possono tagliare molti non metalli.

  I laser a CO2, d'altra parte, sono di solito un percorso di produzione più economico e sono quindi favoriti per scopi di ingegneria generale. I laser a CO2 hanno anche il vantaggio di poter tagliare una gamma più ampia di materiali, dai metalli ai polimeri e al legno.

Meccanismi di taglio

  Meccanismi di taglio possono tagliare i materiali con una varietà di meccanismi diversi che sono descritti di seguito. Il sottotitolo per ciascun meccanismo di taglio include una menzione dei gruppi di materiali tagliati e di quale dei laser è coinvolto.

  Taglio a fusione o taglio a fusione (la maggior parte dei metalli e dei termoplastici - Laser CO2 e Nd: YAG)

  Figura 2 Fusione 1. La maggior parte dei materiali organici

  La figura 2 è uno schema del processo di taglio a fusione o taglio a fusione. (Indicato anche come "taglio di gas inerte"). [1] In questo caso il raggio laser focalizzato fonde il pezzo e il fuso viene espulso dal fondo del taglio dall'azione meccanica del getto del gas da taglio. I materiali che vengono tagliati in questo modo includono la maggior parte di quelli che possono essere fusi, cioè metalli e materiali termoplastici. Per tagliare con successo questi materiali con successo, dobbiamo scegliere attentamente il tipo di gas da taglio e la pressione.

  Il tipo di gas da taglio viene scelto in base alla natura reattiva del materiale da tagliare, cioè

  I termoplastici fusi non reagiscono chimicamente con azoto o ossigeno e quindi l'aria compressa può essere utilizzata come gas da taglio.

  L'acciaio inossidabile fuso reagisce con l'ossigeno ma non con l'azoto e quindi l'azoto viene utilizzato in questo caso.

  Il titanio fuso reagisce con l'ossigeno o l'azoto e così l'argon (che è chimicamente inerte) viene usato come gas da taglio.

  La pressione del gas impiegato dipende anche dai materiali da tagliare, cioè La rimozione del polimero fuso dalla zona di taglio (quando si taglia ad esempio il nylon) non richiede un getto di gas ad alta pressione e quindi la pressione di alimentazione alla testa di taglio può essere nell'intervallo 2-6 bar. L'acciaio inossidabile fuso, d'altra parte, richiede molto più spinta meccanica per rimuoverlo dalla zona di taglio e quindi le pressioni di alimentazione impiegate saranno nell'intervallo 8-14 bar (la pressione richiesta aumenta con lo spessore dell'acciaio).

Taglio di degradazione chimica (polimeri termoindurenti e prodotti in legno - laser CO2)

  La plastica termoindurente ei prodotti in legno non vengono tagliati dal meccanismo di taglio a fusione per il semplice motivo che non possono fondere. In questo caso il laser brucia il pezzo in lavorazione, riducendo la plastica o il legno a un fumo composto da carbonio e altri costituenti del materiale originale.

  Questo processo è noto come taglio per degradazione chimica. Poiché questo processo richiede più energia rispetto alla semplice fusione, le velocità di taglio e gli spessori massimi per i termoindurenti sono inferiori a quelli dei materiali termoplastici, il bordo tagliato di tali materiali è generalmente piatto, liscio e ricoperto da un sottile strato di carbonio.

  Taglio di evaporazione (acrilico e poliacetale - laser CO2)

  Per i metalli l'idea del taglio laser per evaporazione non è affatto attraente perché l'evaporazione consuma molta più energia rispetto al semplice scioglimento necessario per il taglio a cesoia. Per alcuni polimeri, tuttavia, il taglio per evaporazione avviene perché i punti di fusione e di ebollizione dei materiali sono molto vicini tra loro. Il materiale più comune tagliato in questo modo è il polimetilmetacrilato che è meglio conosciuto come acrilico o con i suoi nomi commerciali; Perspex, Plexiglass ecc.

  Questo materiale è ampiamente utilizzato per la segnaletica e il display ed è una fortuna che, grazie alla sua capacità di evaporazione durante il taglio laser, sia possibile produrre un bordo lucido e lucido.

  Scribing (ceramiche - CO2 o Nd: YAG laser)

  La tracciatura è un processo mediante il quale è possibile ottenere velocità di taglio molto elevate su ceramiche fragili e sottili (ad esempio AL2O3) per l'industria elettronica. Il laser viene utilizzato nella sua modalità pulsata per far evaporare una linea di fori superficiali attraverso la superficie del foglio del materiale. Il materiale viene successivamente spezzato lungo queste linee di debolezza. Per ovvi motivi, il processo è appropriato solo per la produzione di linee rette.

  Taglio di ossidazione (acciai dolci e acciai al carbonio - laser CO2 o Nd: YAG)

  Gli acciai in acciaio dolce e al carbonio possono essere tagliati dal processo di cesoiatura utilizzando l'azoto, ma sono più comunemente tagliati usando l'ossigeno come gas da taglio. L'ossigeno reagisce chimicamente con il ferro nella zona di taglio e questo ha due vantaggi per il processo di taglio:

  1. La reazione genera calore, che accelera il processo di taglio e quindi migliora le velocità di taglio e aumenta lo spessore massimo che può essere tagliato.

  2. La reazione produce una fusione ossidata, che ha una bassa viscosità e non aderisce bene all'acciaio solido su entrambi i lati del taglio. Ciò significa che il liquido viene espulso facilmente dalla zona di taglio e non vi è alcuna fusione residua (scoria) attaccata al bordo inferiore del taglio.

  La reazione chimica ha anche due inconvenienti:

  1. La sensibilità del processo è aumentata per quanto riguarda i seguenti parametri di processo;

  Il raggio laser deve essere centrato esattamente sul foro nell'ugello della testa di taglio (vedere Figura 1).

  Il raggio laser deve avere una distribuzione di energia che è assialmente simmetrica.

  2. La reazione chimica lascia una sottile (~ 100 "m) pelle di ossido di ferro sul bordo tagliato. Questo strato di ossido è fragile e non fissato saldamente all'acciaio sottostante. Questo in genere non è un problema, ma può sfaldarsi in servizio dopo che una parte è stata verniciata, portando con sé la vernice. Per questo motivo alcuni clienti insistono su componenti in acciaio dolce tagliati con azoto.

Argomento di studio

  È fuorviante scegliere un singolo componente e quindi dimostrare perché il taglio laser è il metodo di produzione preferito. Per dare un'immagine più ampia consideriamo un tipo di componente, cioè una piastra piatta, approssimativamente rettangolare con dieci fori, tre fessure e alcuni dettagli del bordo. Supponiamo una dimensione complessiva di 200 mm x 300 mm.

Il percorso verso la produzione sarà determinato da una serie di fattori:

  Tipo e spessore del materiale, numero di componenti richiesti, precisione richiesta, qualità del bordo richiesta, dimensioni foro / fessura, ecc.

  La decisione dipenderà dai costi associati alla produzione di parti della qualità appropriata e verrà quindi scelto il metodo più economico. In molti casi il taglio laser sarà la via più economica ma è interessante fornire alcuni esempi diversi del prodotto per dimostrare quando verrà scelto un metodo alternativo:

  1. Materiale: il taglio laser CO2 in acciaio di spessore 3mm sarà scelto eccetto per le seguenti condizioni.

  Se richiediamo più di 100000 componenti. Per la produzione di grandi lotti, i costi iniziali associati alla punzonatura fissa degli utensili potrebbero essere giustificabili.

  Se il contorno complessivo non comportava profili complessi e solo uno o due pezzi erano necessari, il taglio al plasma o alla fiamma seguito dalla lavorazione potrebbe essere un concorrente.

  Se le tolleranze dimensionali sui fori o sulle fessure dovevano essere molto meglio del ± 0.1mm tipico del taglio laser CO2 commerciale. In questo caso si può preferire la lavorazione con laser Nd: YAG, punzonatura CNC o elettroerosione

  2. Materiale: metallo spesso 15 mm:

  In questo caso il taglio laser CO2 sarebbe generalmente scelto come opzione più economica se il metallo in questione fosse acciaio. Tuttavia, il taglio laser commerciale non può essere utilizzato per profilare alluminio o leghe di rame a questo spessore e la solita alternativa sarebbe il taglio con getto d'acqua abrasivo.

  3. Materiale - Titanio 5mm:

  In tal caso, il taglio laser CO2 verrà utilizzato se la zona interessata dal calore creata lungo il bordo tagliato non è importante per il prodotto finito.

  Nelle applicazioni critiche a fatica la zona interessata dal calore sarebbe problematica e quindi potrebbero essere utilizzate lavorazioni meccaniche, getti d'acqua abrasivi o elettroerosione.

  4. Materiale: polimero da 10 mm:

  In questo caso si impiegherebbe il taglio laser a CO2 a meno che il numero di componenti coinvolti giustificasse l'uso di tecniche di stampaggio a iniezione.

Lo stato dell'arte

  Lo stato dell'arte di un argomento diverso come il taglio laser non è un singolo argomento. Le prestazioni di una macchina dedicata a una singola applicazione possono essere molto diverse da quelle di un'installazione di tipo di officina più versatile.

  Per questo motivo, lo stato dell'arte si discute meglio sotto una serie di titoli:

  Taglio Laser Job Shop

  Dall'inizio del taglio laser come processo industriale nei primi anni '70, i produttori di macchine hanno costantemente aumentato la potenza dei laser coinvolti. La potenza utilizzata per il taglio è sempre rimasta indietro rispetto alle massime potenze disponibili perché il taglio laser richiede un raggio di alta qualità, che può essere focalizzato in un punto piccolo con densità di energia assialmente simmetrica (questa simmetria è necessaria se il raggio deve tagliare ugualmente bene tutte le direzioni).

  Le moderne macchine da taglio (2004) spesso impiegano potenze comprese tra 3,5 kW e 5,5 kW che sono in grado di produrre tassi di produzione molto elevati. Due importanti parametri dal punto di vista di un negozio di lavoro sono lo spessore massimo di un particolare materiale che può essere tagliato e le velocità di taglio disponibili. La tabella 1 riporta lo spessore massimo approssimativo, che può essere tagliato a 4 e 5 kW con i laser a CO2.

Tabella 1. Spessore massimo approssimativo dei materiali per i laser a CO2.

  Velocità di taglio

  Il soggetto delle velocità di taglio è aperto a molte interpretazioni e gli appassionati venditori hanno pubblicato molte informazioni fuorvianti negli ultimi trent'anni. Negli ultimi anni i produttori di macchine hanno realizzato due punti importanti;

  1. Non è solo la massima velocità di taglio lineare che è importante; è il tempo di ciclo per il componente.

  2. Spesso è meglio abbassare la potenza di una macchina multikilowatt per tagliare materiali di sezione più sottile. (Quindi la vostra macchina da 4 kW può ridurre automaticamente la sua potenza a 2 kW per tagliare acciaio dolce di 2 mm di spessore).

  Al fine di massimizzare la produzione, i produttori di macchinari si sono recentemente concentrati sull'accelerazione della macchina e sulle velocità di movimento inter-cut. Il miglioramento di questi campi e di argomenti correlati come i tempi di piercing e i tassi di ritrazione della testa hanno reso la velocità di taglio del laser solo un piccolo componente in un complicato calcolo per stimare i tempi del ciclo dei componenti. Oggigiorno l'unico modo accurato per confrontare le prestazioni di due macchine è effettuare prove su componenti reali. Tuttavia, la tabella 2 presenta alcune tipiche velocità di taglio.

  Tabella 2. Tipiche velocità di taglio laser per linee rette di diverse centinaia di millimetri di lunghezza con una potenza di circa 5kW. (Le cifre medie calcolate da quelle fornite da Bystronic e Trumpf)

  Applicazioni specialistiche

  Nessuna panoramica dello stato dell'arte sarebbe completa senza dare un'occhiata ad alcune applicazioni specialistiche. Due di queste applicazioni sono lo sviluppo del taglio ad alta velocità e del taglio a sezione spessa sviluppato presso l'Istituto Fraunhofer f! R Lasertechnik di Aquisgrana, in Germania. Con un attento controllo dei parametri di processo, i team di Aquisgrana hanno tagliato l'acciaio inossidabile con uno spessore superiore a 40 mm. Lo sviluppo di una macchina a taglio laser per l'acciaio a sezione sottile è ancora più interessante perché implica un tipo insolito di interazione laser-materiale nel taglio zona. È stato detto in precedenza che l'evaporazione è generalmente da evitare quando si tagliano i metalli poiché consuma molta energia. Tuttavia, quando si tagliano sezioni sottili ad alta velocità, il processo di evaporazione può aiutare nel processo di taglio applicando una pressione localizzata nella zona di taglio che aiuta ad espellere il fuso. Utilizzando questo principio, il team di Aquisgrana ha raggiunto velocità di taglio superiori a 145 m / min per uno spessore di lamiera di acciaio di 0,23 mm [2].

  Una recente area di avanzamento, che è diventata molto popolare negli ultimi due o tre anni, è lo sviluppo di macchine da taglio laser a tubo. Sono ora disponibili macchine in grado di elaborare tubi di quasi tutte le sezioni trasversali, con diametri fino a duecento millimetri. L'avvento di queste macchine ha incoraggiato nuovi atteggiamenti verso il design. Invece di realizzare, ad esempio, due gambe di supporto e una croce di tre pezzi, l'intero assieme può essere tagliato a laser da una lunghezza di tubo e semplicemente piegato in forma prima della saldatura- vedere la figura 3.

Figura 3. Un profilo appositamente progettato per la produzione di curve curve

  Inoltre, è possibile utilizzare giunzioni di tipo maschio / femmina per la lavorazione del legno per agevolare la saldatura finale o la fabbricazione, vedere la figura 4.

  Figura 4. La progettazione per il taglio laser può comportare l'uso di giunzioni a maschio e femmina per la lavorazione del legno. (Esempio di cortesia di BLM: Adige)

  Un'altra area di recente interesse è la crescita del lasermicro lavorazione. Questa area di applicazione sta diventandosempre più popolare nell'elettronica e nella biomedicinacampi. I laser coinvolti di solito devono essere più piccolipunti concentrati di quanto sia possibile usando la CO2 a infrarossi elaser standard Nd: YAG. Per questo motivo, i laser chegenerare luce visibile o ultravioletta sono impiegati eil processo di taglio è piuttosto di evaporazione o ablazionerispetto al tipo di profilazione Figura 3.

Conclusione

  Fin dai suoi inizi nei primi anni 1970 ha il taglio lasercontinuamente ampliato per riempire un mercato in continua crescitaCondividere. Il costo effettivo del processo è chiaramenteevidente nel suo ampio campo di applicazione. È chiaro chemiglioramenti incrementali sia nel software che nell'hardwareassicurerà il continuo successo del processo.

Ringraziamenti

  Gli autori vorrebbero ringraziare il taglio laserproduttori di macchine Bystronic, Trumpf eBLM: Adige per il loro aiuto nella produzione di questo documento.Anche grazie a Laura Adams per aver preparato questo documento.