Rezanje laserom

Usporedba CAD (Computer Aid Design) tehnologije i nehrđajući čelik rezan laserom (dolje)

Rezanje laserom je tehnologija koja koristi laser za rezanje materijala, i uglavnom se koristi za industrijsku primjenu, ali sve češće se koristi i u školama, malim poduzećima i kod hobista. Rezanje laserom radi tako da se direktno kontrolira izlazna snaga lasera, djelujući obično kompjuterom. Materijal se ili topi, ili izgara, ili isparava, ili ga otpuhne mlaz zraka pod pritiskom, ostavljajući visoko kvalitetne rubove reza. Ne režu se samo limovi, nego i profili i cijevi.

Vrste lasera

Kod rezanja laserom koriste se 3 vrste lasera. CO₂ laser je pogodan za rezanje, bušenje i graviranje. Nd laser i Nd:YAG laseri su slični laseri, a razlikuju se po primjeni. Nd laser se koristi za bušenje, gdje je potreba velika snaga, ali s malo ponavljanja. Nd:YAG laser se koristi za velike snage kod bušenja i graviranja, s velikim brojem ponavljanja. Svi ovi laseri se mogu koristiti i kod zavarivanja.

CO₂ laseri obično za lasersku pumpu koriste prolaz električne struje kroz mješavinu plina (istosmjerna struja) ili korištenjem radio frekventne energije, koja je novija metoda. Budući da pobuda sa istosmjernom strujom, zahtijeva da se elektrode nalaze unutar optičkog rezonatora, može doći do trošenja elektroda i do stvaranja naslaga materijala s elektroda na staklu i ogledalima. Zato se i počelo sa korištenjem radio frekvencije, da se izbjegnu ti problemi.

CO₂ laseri se koriste u industriji za rezanje mnogih materijala: meki čelik, aluminij, nehrđajući čelik, titanij, papir, vosak, drvo i tkanine. YAG laseri se prvenstveno koriste za rezanje i označavanje metala i keramike. Datoteka:Lasercutting-video.ogv Osim izvora snage, za karakteristike rada može utjecati i način mješanja i protoka plina unutar optičkog rezonatora. Kod brzih aksijalnih protoka, mješavina ugljičnog dioksida, helija i dušika, kruži sa velikim brzinama, pogonjena turbinom ili ventilatorom. Kod poprečnog toka, mješavina zraka se miješa s manjim brzinama i za to treba manji ventilator. Kod novijih rješenja, imamo difuziono hlađenje sa statičkim poljem izvana, tako da se štedi na održavanju i zamjeni dijelova.

Stvaranje laserskih zraka i vanjska optika (uključujući i fokusne leće), trebaju hlađenje. Ovisno o veličini i rasporedu, ogromna količina topline treba biti odvođena s rashladnim sredstvom. Najbolje rješenje je voda, u zatvorenom rashladnom sistemu.

Laserski medij	Primjena
CO2	Bušenje Rezanje/označavanje, graviranje
Nd	Visoko energetski impulsi Mala brzina ponavljanja (1 kHz) Bušenje
Nd-YAG	Vrlo visoki energetski impulsi Bušenje, graviranje, podešavanje

Laserski mikromlaz vode

IIndustrijsko rezanje laserom čelika na CNC alatnom stroju

Laserski mikromlaz vode je vrsta lasera, kod kojeg impulsna laserska zraka djeluje zajedno sa mlazom vode, pod malim tlakom. Prednost je što mlaz vode odstranjuje ostatke materijala nakon rezanja, ima veliku brzinu rezanja pločica, paralelan rez i mogućnost rezanja u više smjerova.

Postupak rezanja

Kod rezanja plazmom, obično je debljina laserske zrake manja od 0,3 mm, a moguće je ostvariti debljinu rezanja i manju od 0,1 mm. Kod rezanja treba napomenuti da prvo treba izbušiti rupu kroz materijal, a za to se koristi velika snaga lasera, i traje obično 5 do 15 sekundi, za 14 mm debljine lima od nehrđajućeg čelika.

Laserska izlazna zraka je paralelna i debljine od 1,5 do 12,5 mm, a zatim se fokusira sa lećama i ogledalima na veoma malu točku, ponekad do 0,025 mm, da se stvori laserska zraka velikog intenziteta. Da bi se ostvarila mala površinska hrapavost na materijalu, lasersku zraku je potrebno polarizirati.

Rezanje isparavanjem

Kod rezanja isparavanjem, fokusirana zraka grije materijal do točke isparavanja, stvarajući malo suženje. To suženje postaje sve dublje, budući se materijal koji isparava odstranjuje ispuhivanjem. Ova metoda se koristi za drvo, ugljik i termoplastike.

Topljenje i ispuhivanje

Ova metoda koristi plin pod velikim tlakom za ispuhivanje otopljenog materijala, sa mjesta rezanja, znatno smanjujući potrebnu snagu za laser. Tom metodom se obično rezu metali.

Toplinsko pucanje

Staklo je veoma osjetljivo na toplinske lomove, pa se laserska zraka fokusira na površinu, stvarajući toplinu na maloj površini, sve dok se ne pojavi lom. Zatim se lom vodi sa laserskom zrakom povećanom brzinom.

Odvajanje tankih pločica

Odvajanje tankih pločica poluvodiča se vrči sa Nd:YAG laserom, koji ima radnu valnu duljinu 1064 nm, koja je prilagođena spektralnoj liniji silicija (1,11 eV ili 1117 nm).

Rezanje plamenom

Taj postupak je sličan klasičnom plinskom rezanju sa kisikom i acetilenom, i obično se koristi za čelicne limove deblje od 1 mm. Mogu se rezati i vrlo debeli limovi, sa relativno malom snagom lasera.

Tolerancije i površinska obrada

Nove generacije lasera imaju točnost pozicioniranja i rezanja do 0,01 mm. Standardna površinska hrapovost se povećava sa debljinom lima, ali se smanjuje što je veća snaga lasera i brzina rezanja. Tako na primjer, ako režemo s laserom snage 800 W, standardna hrapavost površine R_z je za 1 mm lim 10 μm, za lim 3 mm je 20 μm, a za lim 6 mm je 25 μm. Može se koristiti formula:

R_z = 12,528 x(S^0.542) x (P^0,528) x (V^0,322) [μm]

Gdje je S – debljina lima (mm), P – snaga lasera (kW) i V – brzina rezanja (m/min)

Rezanje plazmom može održati veoma dobre tolerancije obrade, manje od 0,025 mm. Paralelnost plohe nakon obrade radnog komada može biti između 0,003 do 0,006 mm.

Rezanje plazmom sa kretanjem laserske glave

Postavke alatnog stroja

Kod rezanja plazmom uglavnom postoje 3 postavke: kretanje radnog komada, miješano kretanje i kretanje laserske glave. Uobičajeno je da se glava za rezanje označuje sa Z osi, dok su ostale osi radnog komada, X i Y os.

Kod kretanja radnog komada, laserska glava za rezanje je nepomična. Takva postavka je jednostavna, ali je i rezanje plazmom najsporije. Kod miješanog kretanja, radni komad se kreće obično po dužoj X osi, dok se laserska glava kreće po kraćoj Y osi, pa daje brže rezanje. Kada se laserska glava samo kreće, dobivaju se najveće brzine rezanja, radni komad miruje i uglavnom nije potreno stezanje. Kod najnovijih generacija laserskog rezanja, moguće je održavati cijelo vrijeme istu udaljenost između laserske glave i radnog komada, što daje najbolje rezultate.

Prednosti i nedostaci

Prednost rezanja laserom, u odnosu na klačicno mehaničko rezanje, je prije svega u jednostavnijem stezanju radnog komada i smanjuje se promjena strukture materijala radnog komada, jer kod mehaničkog rezanja, alat za rezanje i radni komad su u dodiru. Preciznost rezanja je bolja, budući se laserska zraka ne troši s vremenom. Smanjena je i deformacija radnog komada nakon rezanja, a rezanje laserom stvara i malu zonu utjecaja topline (ZUT), gdje dolazi do promjene strukture materijala i mehaničkih svojstava. Neke materijale je gotovo nemoguće rezati na tradicionalni način.

Rezanje laserom u odnosu na rezanje plazmom daje veću preciznost i troši manje energije kada se režu limovi, ali rezanje plazmom omogućuje rezanje debljih limova. Novije generacije su vrlo blizu rezanju plazmom, što se tiče debljine lima, ali su i takvi strojevi skuplji.

Glavni nedostatak rezanja plazmom je velika potrošnja energije. Industrijski laseri imaju stupanj efikasnosti od 5 do 15%.

Količina unešene topline za različite materijale i debljine sa CO₂ laserom (W)

Materijal	Debljina materijala (mm)
	0,5	1	2	35	6
Nehrđajući čelik	1000	1000	1000	500	250
Aluminij	1000	1000	1000	3800	10000
Meki čelik	-	400	-	500	-
Titanij	250	210	210	-	-
Iverica	-	-	-	-	650
Bor/epoksi	-	-	-	3000	-

Produktivnost

Za standardne industrijske procese, kao što je snaga stroja 1 kW i rezanje limova od 1 do 2 mm, rezanje laserom može biti i do 30 puta brže, u odnosu na klasične strojeve za rezanje.

Brzina rezanja za za različite materijale i debljine sa CO₂ laser [inch/min]

Materijal radnog komada	Debljina materijala
	0,02	0,04	0,08	0,125	0,25	0,5	inch
	0,508	1,016	2,032	3,175	6,35	12,7	mm
Nehrđajući čelik	1000	550	325	185	80	18
Aluminij	800	350	150	100	40	30
Meki čelik	-	210	185	150	100	50
Titanij	300	300	100	80	60	40
Iverica	-	-	-	-	180	45
Bor/epoksi	-	-	-	60	60	25

Povijesne činjenice

1965. se počeo koristiti laser za bušenje dijamanta. 1967. u Velikoj Britaniji se počeo koristiti kisik za pomoć kod rezanja metala. U 1970-tim se uvodi lasersko rezanje za titanij, u avionskoj industriji. U to vrijeme, CO₂ laser se prilagodio za rezanje i nemetalnih materijala, kao što je tekstil.

Poveznice:

• Građa lasera
• Popis osnovnih vrsta lasera
• Rezanje plazmom
• Rezanje vodenim mlazom

Vanjske poveznice

• Laser cutting steel parts for a miniature Live steam locomotive
• Laser Glass Cutting Good Further Information Resource with White Paper
• Laser Cutting and Laser Drilling TRUMPF's page with good information.
• Laser Cutting Articles The Fabricator's list of laser cutting articles.
• Laser Microjet, a large amount of documentation from the industry