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 complesse configurazioni 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 di CO2 e Nd:

  Taglio laser 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 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)

  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 dalazione meccanica del getto di 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, dobbiamo scegliere il nostro gas da tagliotipo e pressione attentamente.

  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 che vengono tagliati, 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 compresa tra 2 e 6 bar. L'acciaio inossidabile fuso, d'altra parte, richiede molta più spinta meccanica per rimuoverlo dalla zona di taglio e quindi le pressioni di alimentazione impiegate saranno nell'intervallo 8-14 bar (illa pressione richiesta aumenta con lo spessore dell'acciaio).