Macchina da taglio laser

Schema

• Parametri di elaborazione dei materiali

• Descrizione del processo

• Meccanismi di taglio laser

Effetto della densità di potenza

• La densità di potenza è il driver chiave del processo

• Densità potenza (Intensità) = P / pr2

Variabili di processo per l'elaborazione dei materiali

• Le altre importanti variabili di processo:

Tempo di interazione e diagramma del processo empirico

• Tempo di interazione, t = 2 r / v

dove r = raggio del raggio e v = velocità

Acciaio strutturale

Taglio

• Il taglio laser è in grado di tagliare più velocemente e con una qualità superiore rispetto ai processi concorrenti:

- Punch, plasma, getto d'acqua abrasivo, ultrasuoni, ossiflame, segatura e fresatura

• Può essere automatizzato

• L'80% dei laser industriali in Giappone viene utilizzato per il taglio dei metalli

Impostazione di taglio tipica

Caratteristiche del processo

• È uno dei processi di taglio più veloci.

• Il pezzo da lavorare non ha bisogno di serraggio, ma è consigliabile evitare il lavoro con l'accelerazione del tavolo e la posizione quando si utilizza un programma CNC.

• L'usura dell'utensile è zero poiché il processo è un processo di taglio senza contatto.

• I tagli possono essere effettuati in qualsiasi direzione, la polarizzazione può influire sull'efficienza del processo.

• Il livello di rumore è basso.

• Il processo può essere facilmente automatizzato con buone prospettive di controllo adattativo in futuro.

• Nessuna modifica costosa degli utensili è principalmente "soft". Cioè sono solo modifiche di programmazione. Quindi il processo è altamente flessibile.

• Alcuni materiali possono essere tagliati, ma potrebbe esserci un problema con la saldatura tra gli strati.

• Quasi tutti i materiali tecnici possono essere tagliati. Possono essere friabili, fragili, conduttori elettrici o non conduttori, duri o morbidi.

- Solo i materiali altamente riflettenti come l'alluminio e il rame possono rappresentare un problema, ma con un adeguato controllo del raggio questi possono essere tagliati in modo soddisfacente.

Risposta al processo

• Il taglio può avere una larghezza di taglio molto stretta che consente un notevole risparmio di materiale. (Kerf è la larghezza dell'apertura tagliata)

• I bordi tagliati possono essere quadrati e non arrotondati come nella maggior parte dei processi a getto caldo o altre tecniche di taglio termico.

• Il bordo tagliato può essere liscio e pulito. È un taglio finito, che non richiede ulteriore pulizia o trattamento.

• Il bordo tagliato può essere saldato direttamente con poca o nessuna preparazione di superficie.

• Non ci sono sbavature come nelle tecniche di taglio meccanico. L'adesione di dross può essere evitata solitamente.

• C'è una HAZ molto ristretta (Heat Affected Zone) e uno strato molto sottile resolidificato di pochi μm, in particolare sui tagli senza scorie. C'è una distorsione trascurabile.

• I tagli ciechi possono essere fatti in alcuni materiali, in particolare quelli che si volatilizzano, come il legno o l'acrilico.

• La profondità di taglio dipende dalla potenza del laser. 10-20mm è l'attuale gamma per tagli di alta qualità. Alcuni laser a fibra molto potente potrebbero tagliare 50 mm.

scoria

Meccanismi di processo

• Il raggio viene attraversato su un percorso programmato e la rimozione del materiale avviene a causa di più meccanismi.

• Fusione

- Il materiale che presenta fase fusa di bassa viscosità, in particolare metalli e leghe e materiali termoplastici, viene tagliato dall'azione di riscaldamento di un fascio di densità di potenza dell'ordine di 104 Wmm-2

- Il fuso è assistito dall'azione di taglio di una corrente di gas inerte o attivo di assistenza, provoca la formazione di un canale fuso attraverso il materiale chiamato kerf (fessura).

• Vaporizzazione

- Adatto per materiali che non sono facilmente fusi (alcuni bicchieri, ceramiche e materiali compositi)

- I materiali possono essere tagliati dalla vaporizzazione che è indotta da una densità di potenza del raggio più alta (> 104Wmm-2)

• Degradazione chimica

- Un kerf può essere formato in molti materiali organici per degradazione chimica causata dall'azione di riscaldamento del fascio.

Meccanismo di rimozione del materiale in diversi materiali

Inting Gas Melt Shearing o Melt and Blow

Sciogliere e Colpire

• Una volta creato un foro di penetrazione o il taglio è iniziato dal bordo

• Un getto di gas sufficientemente forte potrebbe far fuoriuscire il materiale fuso dalla fessura del taglio per evitare che l'aumento di temperatura raggiunga il punto di ebollizione.

• Il taglio con un getto di gas inerte richiede solo un decimo della potenza richiesta per la vaporizzazione

• Notare che il rapporto tra il calore latente di fusione e la vaporizzazione è 1:20.

Modellazione del processo

Sciogliere e Colpire

• Il gruppo [P / tV] è costante per il taglio di un dato materiale con un dato raggio.

Azione di taglio

• Il raggio è incidente sulla superficie

- La maggior parte del raggio passa nel buco o nel kerf

- alcuni vengono riflessi dalla superficie non fusa

- alcuni possono passare direttamente attraverso

• A basse velocità la fusione inizia dal bordo anteriore del raggio e gran parte del raggio passa attraverso il taglio senza toccare se il materiale è sufficientemente sottile.

Meccanismo di soffiaggio di fusione dettagliato

• L'assorbimento è dovuto a due meccanismi:

- Principalmente per assorbimento di Fresnel, cioè interazione diretta del fascio con il materiale -

- Assorbimento e reradiazione del plasma. L'accumulo di plasma nel taglio non è molto significativo a causa del gas che lo espelle.

• La densità di potenza sul fronte di taglio è Fsinq. Ciò causa la fusione che viene poi spazzata via dalle forze di trascinamento dalla corrente di gas a flusso veloce.

• Nella parte inferiore del kerf la fusione è più spessa a causa della decelerazione del film e la tensione superficiale rallenta la fusione dalla fusione.

• Il flusso di gas espelle le goccioline fuse alla base di

il taglio nell'atmosfera.

Formazione di striature

• All'aumentare della velocità di taglio, il raggio viene automaticamente accoppiato al pezzo da lavorare in modo più efficiente a causa della riduzione delle perdite attraverso il taglio.

• Anche il raggio tende ad avanzare sul materiale non fuso. Quando ciò si verifica, la densità di potenza aumenta poiché la superficie non è inclinata.

• Lo scioglimento procede più velocemente e viene trascinato verso il basso come un passaggio. Quando il gradino viene trascinato, lascia dietro di sé un segno sul bordo tagliato chiamato striatura.

• La causa delle striature è contestata, ci sono molte teorie:

- La teoria dei passaggi

- dimensione critica delle gocce che fa sì che la massa del fuso pulsi in dimensioni prima che possa essere soffiata liberamente

- La teoria che brucia lateralmente.

• Esistono condizioni in cui non si verificano striature. Questi sono governati dal flusso di gas o pulsando alla frequenza della striatura naturale.

striature

Taglio a fusione reattiva

• Se il gas di assistenza è anche in grado di reagire in modo esotermico, al processo viene aggiunta una fonte di calore aggiuntiva.

• Il gas che passa attraverso il kerf non trascina solo il fuso ma reagisce anche con il fuso.

• Di solito il gas reattivo è ossigeno o una miscela contenente ossigeno.

• La reazione di combustione inizia di solito alla temperatura di accensione in alto.

• L'ossido si forma e viene insufflato nella fessura e coprirà la fusione verso il basso che rallenta la reazione e può addirittura causare l'interruzione delle linee di striatura.

Fusion reattivo.

• La quantità di energia fornita dalla reazione di combustione varia con il materiale

- con acciaio dolce / inossidabile è del 60%

- con un metallo reattivo come il titanio è intorno al 90%.

• Le velocità di taglio potrebbero essere raddoppiate usando questa tecnica.

• In genere, più veloce è il taglio, minore è la penetrazione del calore e migliore è la qualità.

• Una variazione chimica del pezzo può verificarsi a causa della fusione reattiva.

- Con il titanio questo può essere fondamentale poiché il bordo avrà un po 'di ossigeno e sarà più duro e più soggetto a rompersi.

- Con l'acciaio dolce non si notano effetti evidenti eccetto uno strato di ossido ri-solidificato molto sottile sulla superficie del.

Fusion reattivo ...

• Le scorie sono un ossido (invece del metallo)

- L'acciaio dolce scorre bene e non aderisce al metallo base

- Con l'acciaio inossidabile, l'ossido è costituito da componenti ad alto punto di fusione come Cr2O3 (punto di fusione ~ 218 ° C) e quindi si blocca più rapidamente causando un problema di perdita di bava.

- L'alluminio esibisce un comportamento simile

• A causa della reazione di combustione viene introdotta un'ulteriore causa di striature

- Nel taglio lento (inferiore alle velocità di reazione alla combustione) si raggiungerà la temperatura di accensione e la combustione si verificherà dal punto di accensione procedendo verso l'esterno in tutte le direzioni.

Striature nel taglio di fusione reattiva

Processo di frattura controllato

• Il materiale fragile è vulnerabile alla frattura termica che può essere tagliata rapidamente e ordinatamente guidando una fessura con un punto sottile riscaldato da un laser

• Il laser riscalda un piccolo volume della superficie provocandone l'espansione e quindi provoca tensioni di trazione tutt'intorno

• Se c'è una crepa in questo spazio, agirà come rilancio dello stress e il cracking continuerà in direzione del punto caldo

• La velocità alla quale una fessura può essere guidata è dell'ordine di m / s

• Quando la crepa si avvicina a un bordo, i campi di sollecitazione diventano più complessi

Frattura controllata

• Vantaggi:

- La velocità, la qualità dei bordi e la precisione sono ottime per il taglio del vetro.

- Efficace per tagli dritti

• Svantaggi:

- Difficile creare tagli profilati come per la produzione di specchietti retrovisori esterni

- Difficile modellare e prevedere vicino ai bordi

Intervallo di elaborazione per frattura controllata

scribing

• Questo è un processo per fare una scanalatura o una linea di fori penetrando completamente o parzialmente

• Questo indebolisce sufficientemente la struttura in modo che possa essere rotta meccanicamente

• Tipicamente i materiali lavorati sono trucioli di silicio e substrati di allumina

• La qualità è misurata dalla mancanza di detriti e dalla zona a bassa temperatura

• Pertanto, gli impulsi a bassa energia e alta densità di potenza vengono utilizzati per rimuovere il materiale principalmente come vapore

Taglio di vaporizzazione

• Il raggio focalizzato nel taglio di vaporizzazione riscalda la superficie fino al punto di ebollizione e genera un buco della serratura.

• Il buco della serratura causa un improvviso aumento dell'assorbanza dovuto a riflessioni multiple e il foro si approfondisce rapidamente.

• Mentre si approfondisce, viene generato vapore e fuoriesce dall'ejecta che fuoriesce dal buco o dal kerf e stabilizzando le pareti fuse del foro

• Questo è il solito metodo di taglio per laser pulsati o nel taglio di materiali che non si sciolgono come legno, carbonio e alcune materie plastiche.

Vaoporization

• La velocità di penetrazione del raggio nel pezzo da lavorare può essere stimata da un grumo

calcolo della capacità termica ipotizzando

- Flusso di calore 1D

- La conduzione è ignorata

- Il tasso di penetrazione è simile o superiore alla velocità di conduzione

- volume rimosso al secondo per unità di superficie = velocità di penetrazione, V m / s

Vaporizzazione

Taglio a freddo

• I laser ad eccimeri UV ad alta potenza mostrano il taglio a freddo

- L'energia del fotone ultravioletto è 4,9 V che è simile all'energia del legame per molti materiali organici.

- Se un legame viene colpito da un tale fotone, allora potrebbe rompersi

- Quando questa radiazione viene riflessa sulla plastica con un flusso sufficiente di fotoni che c'è almeno un fotone / legame, il materiale scompare senza riscaldarsi, lasciando un buco senza detriti o danni ai bordi

Effetto delle dimensioni spot

• I parametri principali sono la potenza del laser, la velocità trasversale, la dimensione dello spot e lo spessore del materiale.

• Le dimensioni dello spot agiscono in due modi:

- In primo luogo, una diminuzione delle dimensioni dello spot aumenterà la densità di potenza che influenza l'assorbimento e

- In secondo luogo, diminuirà la larghezza del taglio.

• I laser con alimentazione stabile e modalità di ordine basso - di solito le modalità TEMO sono notevolmente migliorate rispetto ad altre modalità

lunghezza d'onda

• Più è breve la lunghezza d'onda più alta è l'assorbenza per la maggior parte dei metalli

• Pertanto la radiazione YAG è preferibile alle radiazioni di CO2, ma la struttura a modalità povere della maggior parte

Laser YAG il vantaggio è compensato

• I laser in fibra con una buona modalità del raggio potrebbero avere un vantaggio.

Sommario

• Nozioni di base sul taglio laser

• Meccanismi

• Fattori che influenzano il taglio laser