Појава ЦНЦ ласерског сечења је суштински редефинисала парадигме брзе израде прототипова и масовне{0}}индустријске производње. Концентрисањем огромне количине светлосне енергије на микроскопску жаришну тачку, ласери топе, испаравају или сагоревају материјале са нивоом брзине и тачности димензија које традиционални механички алати једноставно не могу да реплицирају. Међутим, врхунске перформансе, естетска привлачност и дуготрајност структуре готових делова за ласерско сечење не ослањају се само на софистицираност машине или софтверске путање које генерише програмер. Уместо тога, прави ослонац успеха је одабир материјала.
Сваки материјал поседује посебан молекуларни план који диктира како апсорбује, спроводи и расипа топлотну енергију. Присиљавање ласера да исече некомпатибилну или суб{1}}неоптималну подлогу може да доведе до катастрофалног савијања компоненти, озбиљног накупљања шљаке, микро-пукотина, токсичног испуштања гасова из околине или чак трајног оштећења саме ласерске опреме од више{3}}милиона- долара. Да би доследно конструисали компоненте високог{6}}приноса, врхунског-квалитета, дизајнери морају да поседују свеобухватно разумевање о томе како различити материјали реагују на таласне дужине ласера и механичке стресоре.
Металне подлоге: окосница индустријског ласерског сечења
Метали представљају огромну већину материјала који се обрађују у екосистему прецизне производње. Међутим, третирање свих метала јединственим производним приступом је критична грешка.
Угљенични челик и меки челик
Угљенични челик служи као основа за индустријску производњу. Изузетно добро апсорбује ласерску енергију, што га чини веома ефикасним за обраду. Приликом производње меког челика, инжењери углавном бирају између два помоћна гаса: кисеоник или азот. Сечење уз помоћ кисеоника- делује као хемијска егзотермна реакција, убрзавајући брзине сечења и омогућавајући ласерима мање{4}}не снаге да секу кроз невероватно дебеле плоче. Међутим, овај процес оставља тамни слој угљен-оксида на ивици реза, који се мора механички уклонити пре фарбања или прашкастог премаза да би се спречило оштећење пријањања боје. Алтернативно, сечење уз помоћ азота-ослања се искључиво на кинетичку енергију гаса под високим-притиском за отклањање растопљеног метала, чиме се добија нетакнута ивица без оксида-спремна за непосредну накнадну{10} обраду.
нерђајући челик
Нерђајући челик је веома омиљен у медицинском, ваздухопловном, прехрамбеном и архитектонском сектору због своје супериорне отпорности на корозију и високе структурне чврстоће. Ласерско сечење нерђајућег челика захтева велике{1}}ласере са влакнима велике снаге опремљене азотним помоћним гасом под високим{2}}притиском. Циљ је да се метал испари тренутно без дозвољавања атмосферском кисеонику да контаминира зону реза, чувајући анти-корозиона својства материјала дуж ивице. Добијена завршна обрада је невероватно светла и глатка. Међутим, дизајнери морају имати на уму зону -захваћену топлотом (ХАЗ). Ако се ласер предуго задржава на одређеној геометрији, локализована топлота може изазвати таложење хром карбида, феномен који угрожава отпорност на корозију дуж периметра делова ласерског сечења.
Рефлектујући метали: алуминијум, бакар и месинг
Историјски гледано, високо рефлективни и топлотно проводљиви метали попут алуминијума, бакра и месинга представљали су озбиљне оперативне опасности. У старијим ЦО2 ласерским системима, ови материјали су деловали као огледала, одбијајући ласерски зрак право назад кроз оптику за испоруку, тренутно уништавајући скупа сочива за фокусирање и огледала. Штавише, њихова екстремна топлотна проводљивост значила је да се топлота распршује из зоне реза брже него што је ласер могао да је истопи, што је довело до велике формулације шљаке и прегревања система.
Широко усвајање-ласерске технологије са оптичким влакнима је револуционисало обраду ових изазовних супстрата. Ласери са влакнима раде на много краћој таласној дужини (обично око 1,06 микрона у поређењу са 10,6 микрона ЦО2 ласера), које метали апсорбују много лакше. Алуминијум се сада може чисто да сече при великим брзинама, мада и даље има тенденцију да на доњој ивици развије благу неравнину или шљаку која може захтевати лагано уклањање ивица. Бакар и месинг остају врхунски материјали за обраду, захтевајући континуиране, ултра-високе-улазне снаге и прецизну модулацију снопа за одржавање стабилног шава за кључаоницу-у току испаравања.
Не-неметалне подлоге: пластике, полимери и органске материје
Осим металургије, ласерско сечење нуди огромну разноврсност при раду са органским материјама и синтетичким полимерима, под условом да је хемијски састав подлоге строго проверен.
акрил (ПММА)
Акрил се широко сматра најбољим неметалним материјалом за ласерску обраду. Када се сече ЦО2 ласером, акрил испарава чисто без сагоревања, остављајући за собом изузетно глатку, оптички чисту, пламеном{3}}полирану ивицу. Ово елиминише потребу за ручним стругањем ивица или полирањем, што га чини веома економичним за рекламе, малопродајне дисплеје и флуидне разводнике. За оптималне резултате, ливени акрил треба изабрати уместо екструдираног акрила; ливене варијанте секу чисто са минималним напоном пуцања, док су екструдирани лимови склони акумулирању унутрашњих напона који се могу манифестовати као микро-напуклине дуж линије реза током монтаже.
Поликарбонати
Поликарбонат, који се често препознаје по трговачким именима као што је Лекан, цењен је због своје екстремне отпорности на ударце и структуралне чврстоће. Међутим, под ласерским снопом се понаша лоше. Поликарбонат лако апсорбује ласерску енергију, али има тенденцију да гори, а не да чисто испари. Ово доводи до тешке промене боје од жуте- до-црне, акумулације чађи и значајног угљенисања дуж ивице. Док се танки филмови могу сећи уз помоћ специјализованих подешавања параметара, дебели поликарбонатни листови су далеко погоднији за механичку обраду, као што је ЦНЦ глодање или сечење воденим млазом.
Дрво и органски композити
МДФ, шперплоча, тврдо дрво и природна плута су веома осетљиви на ласерску обраду, радећи првенствено на принципу локализованог сагоревања и испаравања. Ласер оставља јасну затамњену, карбонизовану ивицу. Озбиљност овог угљенисања у великој мери зависи од густине дрвета, садржаја влаге и присуства природних смола или синтетичких лепкова (у случају шперплоче и МДФ-а). Коришћење снажног система за помоћ ваздуху-или компримовање азота или компримованог ваздуха кроз млазницу-је од виталног значаја за обраду дрвета да би се брзо отпухао дим и угасио микро-пламен, спречавајући да пламенови-огоре горњу површину радног предмета.
Забрањени материјали: опасности по животну средину и алат
Одређени материјали се никада не смеју уводити у окружење за ласерско сечење ни под којим околностима због екстремне токсичности и ризика од хемијске корозије. Главни међу њима је поливинилхлорид (ПВЦ) и сви филмови на бази винила{1}}. Када ласер испари ПВЦ, он се термички разграђује да би произвео чист гас хлор. Овај хлор се тренутно везује са атмосферском влагом и формира високо концентровану хлороводоничну киселину. Ова киселина је смртоносна за људске оператере ако се удише и агресивно ће кородирати унутрашње челичне компоненте, линеарне шине и системе покрета ласерске машине у року од неколико сати. Сличне опасности важе за материјале који садрже флуорополимере (као што је ПТФЕ/тефлон), који ослобађају високо токсичне, флуорисане гасове под излагањем ласеру.
Кључне инжењерске варијабле које утичу на избор материјала
Да би превели избор материјала у беспрекорне, поновљиве физичке компоненте, инжењери морају пажљиво да процене интеракцију између геометрије сировог материјала и физике ласерског зрака.
Дебљина материјала делује као примарни ограничавајући фактор у погледу брзине и геометрије дела. Како се дебљина повећава, ласер мора дуже да стоји да би се растопио кроз цео попречни- пресек. Ова повећана топлотна изложеност проширује урез-ширину материјала који испари током процеса сечења-и може проузроковати да се фина, замршена геометрија или мале рупе потпуно истопе или изгубе стабилност димензија. Опште правило индустрије налаже да минимални пречник рупе никада не сме бити мањи од дебљине материјала приликом обраде метала.
Површински премази и атмосферски услови такође драстично утичу на ефикасност спајања ласера. На пример, вруће{1}}ваљани челични лимови пресвучени дебелим, неуједначеним млиновима апсорбују енергију ласера непредвидиво, што често доводи до изненадног избијања или издубљених ивица. Одабир хладно-ваљаног челика или хемијски киселог и науљеног (П&О) челика обезбеђује савршено уједначену завршну обраду површине која даје ултра-конзистентне ивичне профиле. Слично томе, када се сече поцинковани челик, ниска тачка топљења спољашњег премаза цинка изазива његово снажно испаравање пре него што се челик у основи топи, стварајући турбулентну зону реза која захтева специјализоване притиске гаса да се стабилизује.
Стратешки оквир: избор материјала корак-по-корак
Да би се кретали овим више{0}}варијабилним пејзажом без подлегања парализи анализе, тимови за дизајн и производњу треба да користе структурирани оквир када дефинишу материјале за своје пројекте.
Процес почиње мапирањем апсолутних захтева за перформансама оперативног окружења. Да ли ће компонента бити подвргнута структуралним оптерећењима, високим цикличним вибрацијама или трењу? Да ли је потребна хемијска отпорност на агресивне раствараче или ће бити изложена екстремним временским условима на отвореном и УВ зрачењу? Одговарањем на ова питања одмах се сужава обим са широких категорија на специфичне под-врсте, као што је избор између нерђајућег челика-разреда 316 и нерђајућег челика опште намене-304.
Затим, дизајнери морају да процене цео ток посла{0}}обраде. Материјал који сече беспрекорно може драматично да поквари током низводних корака производње. На пример, -челици високе чврстоће могу да постану локално очвршћени дуж ивице ласерског-сечења услед брзог хлађења, чинећи накнадне операције урезивања или бушења скоро немогућим без специјализованих карбидних алата. Ако се део мора подвргнути озбиљном хидрауличном савијању или обликовању, одабир материјала са високим својствима издужења, као што је алуминијум 5052 уместо ломљивије легуре 6061, је од кључног значаја за спречавање ломљења дуж линија савијања.
Коначно, економски обим и принос гнежђења морају бити помирени. Одабир егзотичне легуре високих{1}}извода може оптимизирати структурну тежину склопа, али ако је материјал оскудан, скуп и споро се обрађује на ласерском кревету, то може учинити цијели пројекат комерцијално неодрживим. Процена трошкова материјала у односу на брзину обраде и ефикасност угњежђивања делова обезбеђује да производња делова за ласерско сечење остане структурално чврста и високо профитабилна.
Закључак
Избор материјала је критична веза која претвара виртуелне ЦАД моделе у компоненте високог{0}}стварног{1}}света високих перформанси. Избор подлоге регулише сваку појединачну варијаблу производног циклуса, од брзине резања и потпомогнуте потрошње гаса до квалитета завршне обраде ивица и поузданости конструкције. Било да се ради о управљању високом топлотном рефлексијом бакра, искоришћавању нетакнуте пламен{4}}полиране ивице ливеног акрила или избегавању катастрофалних опасности по животну средину од хлорисаних полимера, инжењери морају да третирају избор материјала са истом математичком ригорозношћу примењеном на толеранције димензија.
Како ласери са ултра-високим-влакнастим ласерима настављају да напредују-са снагама које се скалирају до нивоа без преседана-границе материјала који се могу ефикасно обрадити брзо се померају. Дебље плоче, легуре са високом рефлексијом и напредне композитне структуре које су некада сматране не-подложним сечењу сада се рутински обрађују са невероватном тачношћу. Континуираним усклађивањем науке о материјалима са могућностима модерних ласерских система који се развијају, производни погони могу да максимизирају проток, потпуно елиминишу отпадни отпад и испоруче квалитет компоненти без премца на глобално тржиште.