Taglio laser - Laser cutting

Schema di un laser cutter
Processo di taglio laser su lamiera d'acciaio
CAD (in alto) e parte tagliata al laser in acciaio inossidabile (in basso)

Il taglio laser è una tecnologia che utilizza un laser per vaporizzare i materiali, ottenendo un bordo tagliato. Sebbene sia tipicamente utilizzato per applicazioni di produzione industriale, ora viene utilizzato da scuole, piccole imprese, architettura e hobbisti. Il taglio laser funziona dirigendo l'uscita di un laser ad alta potenza più comunemente attraverso l'ottica. L' ottica laser e il CNC (controllo numerico computerizzato) vengono utilizzati per dirigere il materiale o il raggio laser generato. Un laser commerciale per il taglio di materiali utilizza un sistema di controllo del movimento per seguire un CNC o un codice G del modello da tagliare sul materiale. Il raggio laser focalizzato viene diretto sul materiale, che poi si scioglie, brucia, evapora o viene espulso da un getto di gas, lasciando un bordo con una finitura superficiale di alta qualità.

Storia

Nel 1965, la prima macchina da taglio laser di produzione è stata utilizzata per praticare fori nelle matrici diamantate . Questa macchina è stata realizzata dal Western Electric Engineering Research Center . Nel 1967, i britannici hanno aperto la strada al taglio a getto di ossigeno assistito da laser per i metalli. All'inizio degli anni '70, questa tecnologia è stata messa in produzione per tagliare il titanio per applicazioni aerospaziali. Allo stesso tempo CO
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i laser sono stati adattati per tagliare i non metalli, come i tessuti , perché, all'epoca, la CO
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i laser non erano abbastanza potenti da superare la conduttività termica dei metalli.

Processi

Taglio laser industriale dell'acciaio con istruzioni di taglio programmate tramite l'interfaccia CNC

La generazione del raggio laser implica la stimolazione di un materiale laser mediante scariche elettriche o lampade all'interno di un contenitore chiuso. Quando il materiale laser viene stimolato, il raggio viene riflesso internamente per mezzo di uno specchio parziale, fino a quando non raggiunge energia sufficiente per fuoriuscire come flusso di luce coerente monocromatica. Specchi o fibre ottiche vengono generalmente utilizzati per dirigere la luce coerente verso una lente, che focalizza la luce nella zona di lavoro. La parte più stretta del raggio focalizzato ha generalmente un diametro inferiore a 0,0125 pollici (0,32 mm). A seconda dello spessore del materiale, sono possibili larghezze di taglio fino a 0,004 pollici (0,10 mm). Per poter iniziare a tagliare da un punto diverso dal bordo, viene eseguito uno sfondamento prima di ogni taglio. Il piercing di solito comporta un raggio laser pulsato ad alta potenza che crea lentamente un foro nel materiale, impiegando circa 5-15 secondi per l'acciaio inossidabile spesso 0,5 pollici (13 mm) , ad esempio.

I raggi paralleli di luce coerente dalla sorgente laser spesso rientrano nell'intervallo compreso tra 0,06 e 0,08 pollici (1,5-2,0 mm) di diametro. Questo raggio è normalmente focalizzato e intensificato da una lente o uno specchio in un punto molto piccolo di circa 0,001 pollici (0,025 mm) per creare un raggio laser molto intenso. Per ottenere la finitura più liscia possibile durante il taglio del contorno, la direzione della polarizzazione del raggio deve essere ruotata mentre gira intorno alla periferia di un pezzo sagomato. Per il taglio della lamiera, la lunghezza focale è solitamente di 1,5-3 pollici (38-76 mm).

I vantaggi del taglio laser rispetto al taglio meccanico includono una più facile tenuta del pezzo e una ridotta contaminazione del pezzo in lavorazione (poiché non esiste un tagliente che può essere contaminato dal materiale o contaminare il materiale). La precisione può essere migliore, poiché il raggio laser non si consuma durante il processo. C'è anche una ridotta possibilità di deformare il materiale che viene tagliato, poiché i sistemi laser hanno una piccola zona termicamente alterata . Alcuni materiali sono anche molto difficili o impossibili da tagliare con mezzi più tradizionali.

Il taglio laser per metalli ha i vantaggi rispetto al taglio plasma di essere più preciso e di utilizzare meno energia durante il taglio della lamiera; tuttavia, la maggior parte dei laser industriali non è in grado di tagliare lo spessore di metallo maggiore rispetto al plasma. Le macchine laser più recenti che funzionano a una potenza più elevata (6000 watt, in contrasto con i 1500 watt delle prime macchine da taglio laser) si stanno avvicinando alle macchine al plasma nella loro capacità di tagliare materiali spessi, ma il costo del capitale di tali macchine è molto più alto di quello del plasma macchine da taglio in grado di tagliare materiali spessi come la lamiera d'acciaio.

tipi

4000 watt di CO
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taglierina laser

Esistono tre tipi principali di laser utilizzati nel taglio laser. il CO
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il laser
è adatto per il taglio, la foratura e l'incisione. I laser al neodimio (Nd) e al neodimio ittrio-alluminio-granato ( Nd:YAG ) sono identici nello stile e differiscono solo nell'applicazione. Nd viene utilizzato per la noia e dove è richiesta un'elevata energia ma una bassa ripetizione. Il laser Nd:YAG viene utilizzato dove è necessaria una potenza molto elevata e per la foratura e l'incisione. Entrambi CO
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e laser Nd/Nd:YAG possono essere utilizzati per la saldatura .

CO
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i laser sono comunemente "pompati" facendo passare una corrente attraverso la miscela di gas (eccitata in corrente continua) o utilizzando energia a radiofrequenza (eccitata in radiofrequenza). Il metodo RF è più recente ed è diventato più popolare. Poiché i progetti DC richiedono elettrodi all'interno della cavità, possono subire erosione degli elettrodi e placcatura del materiale degli elettrodi su vetreria e ottica . Poiché i risonatori RF hanno elettrodi esterni, non sono soggetti a questi problemi. CO
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i laser sono utilizzati per il taglio industriale di molti materiali tra cui titanio, acciaio inossidabile, acciaio dolce, alluminio, plastica, legno, legno ingegnerizzato, cera, tessuti e carta. I laser YAG vengono utilizzati principalmente per il taglio e l'incisione di metalli e ceramiche.

Oltre alla fonte di alimentazione, anche il tipo di flusso di gas può influire sulle prestazioni. Varianti comuni di CO
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i laser includono flusso assiale veloce, flusso assiale lento, flusso trasversale e lastra. In un risonatore a flusso assiale veloce, la miscela di anidride carbonica, elio e azoto viene fatta circolare ad alta velocità da una turbina o soffiante. I laser a flusso trasversale fanno circolare la miscela di gas a una velocità inferiore, richiedendo un ventilatore più semplice. I risonatori raffreddati a lastra o a diffusione hanno un campo di gas statico che non richiede pressurizzazione o vetreria, portando a risparmi su turbine e vetreria di ricambio.

Il generatore laser e l'ottica esterna (inclusa la lente di messa a fuoco) richiedono il raffreddamento. A seconda delle dimensioni e della configurazione del sistema, il calore di scarto può essere trasferito da un refrigerante o direttamente all'aria. L'acqua è un refrigerante comunemente usato, solitamente fatto circolare attraverso un refrigeratore o un sistema di trasferimento di calore.

Un microgetto laser è un laser guidato a getto d'acqua in cui un raggio laser pulsato è accoppiato a un getto d'acqua a bassa pressione. Questo viene utilizzato per eseguire funzioni di taglio laser mentre si utilizza il getto d'acqua per guidare il raggio laser, proprio come una fibra ottica, attraverso la riflessione interna totale. I vantaggi di questo sono che l'acqua rimuove anche i detriti e raffredda il materiale. Ulteriori vantaggi rispetto al tradizionale taglio laser "a secco" sono le alte velocità di cubettatura, il taglio parallelo e il taglio omnidirezionale.

I laser a fibra sono un tipo di laser a stato solido in rapida crescita nell'industria del taglio dei metalli. A differenza della CO
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, La tecnologia Fiber utilizza un mezzo di guadagno solido, al contrario di un gas o liquido. Il “seed laser” produce il raggio laser e viene poi amplificato all'interno di una fibra di vetro. Con una lunghezza d'onda di soli 1064 nanometri, i laser in fibra producono uno spot di dimensioni estremamente ridotte (fino a 100 volte inferiore rispetto al CO
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) che lo rende ideale per il taglio di materiale metallico riflettente. Questo è uno dei principali vantaggi della Fibra rispetto alla CO
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.

I vantaggi della taglierina laser in fibra includono: -

  • Tempi di lavorazione rapidi.
  • Consumi energetici e bollette ridotti, grazie a una maggiore efficienza.
  • Maggiore affidabilità e prestazioni: nessuna ottica da regolare o allineare e nessuna lampada da sostituire.
  • Manutenzione minima.
  • La capacità di elaborare materiali altamente riflettenti come rame e ottone
  • Maggiore produttività: minori costi operativi offrono un maggiore ritorno sull'investimento.

metodi

Esistono molti metodi diversi per tagliare utilizzando i laser, con diversi tipi utilizzati per tagliare materiali diversi. Alcuni dei metodi sono la vaporizzazione, fusione e soffiaggio, fusione soffiata e bruciatura, fessurazione da stress termico, incisione, taglio a freddo e taglio laser stabilizzato alla combustione.

Taglio di vaporizzazione

Nel taglio a vaporizzazione, il raggio focalizzato riscalda la superficie del materiale fino al punto di infiammabilità e genera un buco della serratura. Il buco della serratura porta ad un improvviso aumento dell'assorbimento che approfondisce rapidamente il buco. Quando il foro si approfondisce e il materiale bolle, il vapore generato erode le pareti fuse espellendo il materiale espulso e allargando ulteriormente il foro. I materiali non fondenti come il legno, il carbonio e le plastiche termoindurenti vengono solitamente tagliati con questo metodo.

Sciogli e soffia

Fusione e soffiaggio o taglio per fusione utilizza gas ad alta pressione per soffiare materiale fuso dall'area di taglio, diminuendo notevolmente il fabbisogno energetico. Prima il materiale viene riscaldato fino al punto di fusione, quindi un getto di gas soffia il materiale fuso fuori dal taglio evitando la necessità di aumentare ulteriormente la temperatura del materiale. I materiali tagliati con questo processo sono solitamente metalli.

Cracking da stress termico

I materiali fragili sono particolarmente sensibili alla frattura termica, una caratteristica sfruttata nel cracking da stress termico. Un raggio viene focalizzato sulla superficie provocando riscaldamento localizzato ed espansione termica. Ciò si traduce in una fessura che può quindi essere guidata spostando il raggio. La fessura può essere spostata nell'ordine di m/s. Di solito è usato nel taglio del vetro.

Taglio invisibile di wafer di silicio

La separazione dei chip microelettronici come preparati nella fabbricazione di dispositivi a semiconduttore da wafer di silicio può essere eseguita mediante il cosiddetto processo di dicing stealth, che opera con un laser Nd:YAG pulsato , la cui lunghezza d'onda (1064 nm) è ben adattata all'elettronica band gap del silicio (1,11 eV o 1117 nm).

Taglio reattivo

Chiamato anche "taglio laser a gas stabilizzato in combustione", "taglio a fiamma". Il taglio reattivo è come il taglio con torcia ad ossigeno, ma con un raggio laser come fonte di accensione. Utilizzato principalmente per il taglio di acciaio al carbonio in spessori superiori a 1 mm. Questo processo può essere utilizzato per tagliare lamiere di acciaio molto spesse con una potenza laser relativamente ridotta.

Tolleranze e finitura superficiale

Le taglierine laser hanno una precisione di posizionamento di 10 micrometri e una ripetibilità di 5 micrometri.

La rugosità standard Rz aumenta con lo spessore della lamiera, ma diminuisce con la potenza del laser e la velocità di taglio . Quando si taglia acciaio a basso tenore di carbonio con potenza laser di 800 W, la rugosità standard Rz è di 10 μm per uno spessore della lamiera di 1 mm, 20 μm per 3 mm e 25 μm per 6 mm.

Dove: spessore lamiera d'acciaio in mm; potenza laser in kW (alcuni nuovi laser cutter hanno una potenza laser di 4 kW); velocità di taglio in metri al minuto.

Questo processo è in grado di mantenere tolleranze abbastanza strette , spesso entro 0,001 pollici (0,025 mm). La geometria del pezzo e la solidità meccanica della macchina hanno molto a che fare con le capacità di tolleranza. La tipica finitura superficiale risultante dal taglio con raggio laser può variare da 125 a 250 micro pollici (da 0,003 mm a 0,006 mm).

Configurazioni macchina

Laser a ottica volante a doppio pallet
Testa laser ad ottica volante

Esistono generalmente tre diverse configurazioni di macchine da taglio laser industriali: materiale in movimento, ibridi e sistemi a ottica volante. Si riferiscono al modo in cui il raggio laser viene spostato sul materiale da tagliare o lavorare. Per tutti questi, gli assi di movimento sono tipicamente designati X e Y dell'asse per . Se la testa di taglio può essere controllata, viene designata come asse Z.

I laser per materiali in movimento hanno una testa di taglio fissa e spostano il materiale sotto di essa. Questo metodo fornisce una distanza costante dal generatore laser al pezzo e un unico punto da cui rimuovere l'effluente di taglio. Richiede meno ottiche, ma richiede lo spostamento del pezzo. Questa macchina di stile tende ad avere il minor numero di ottiche di erogazione del raggio, ma tende anche ad essere la più lenta.

I laser ibridi forniscono una tavola che si muove su un asse (di solito l'asse X) e muove la testa lungo l'asse più corto (Y). Ciò si traduce in una lunghezza del percorso di erogazione del raggio più costante rispetto a una macchina ottica volante e può consentire un sistema di erogazione del raggio più semplice. Ciò può comportare una riduzione della perdita di potenza nel sistema di erogazione e una maggiore capacità per watt rispetto alle macchine a ottica volante.

I laser a ottica volante sono dotati di una tavola fissa e di una testa di taglio (con raggio laser) che si muove sul pezzo in entrambe le dimensioni orizzontali. Le frese a ottica volante mantengono fermo il pezzo durante la lavorazione e spesso non richiedono il bloccaggio del materiale. La massa in movimento è costante, quindi la dinamica non è influenzata dalle dimensioni variabili del pezzo. Le macchine a ottica volante sono il tipo più veloce, il che è vantaggioso quando si tagliano pezzi più sottili.

Le macchine a ottica volante devono utilizzare un metodo per tenere conto della variazione della lunghezza del raggio dal taglio del campo vicino (vicino al risonatore) al taglio del campo lontano (lontano dal risonatore). I metodi comuni per controllarlo includono la collimazione, l'ottica adattiva o l'uso di un asse di lunghezza del raggio costante.

Le macchine a cinque e sei assi consentono anche il taglio di pezzi formati. Inoltre, ci sono vari metodi per orientare il raggio laser su un pezzo sagomato, mantenendo una corretta distanza di messa a fuoco e distanziamento dell'ugello, ecc.

pulsante

I laser pulsati che forniscono un'esplosione di energia ad alta potenza per un breve periodo sono molto efficaci in alcuni processi di taglio laser, in particolare per la perforazione, o quando sono richiesti fori molto piccoli o velocità di taglio molto basse, poiché se si utilizzasse un raggio laser costante, il calore potrebbe raggiungere il punto di fondere l'intero pezzo da tagliare.

La maggior parte dei laser industriali ha la capacità di pulsare o tagliare CW (onda continua) sotto il controllo del programma NC ( controllo numerico ).

I laser a doppio impulso utilizzano una serie di coppie di impulsi per migliorare la velocità di rimozione del materiale e la qualità del foro. In sostanza, il primo impulso rimuove il materiale dalla superficie e il secondo impedisce che il materiale espulso aderisca al lato del foro o al taglio.

Consumo di energia

Il principale svantaggio del taglio laser è l'elevato consumo energetico. L'efficienza del laser industriale può variare dal 5% al ​​45%. Il consumo energetico e l'efficienza di un particolare laser variano in base alla potenza di uscita e ai parametri operativi. Ciò dipenderà dal tipo di laser e da quanto bene il laser è abbinato al lavoro da svolgere. La quantità di potenza di taglio laser richiesta, nota come apporto di calore , per un particolare lavoro dipende dal tipo di materiale, dallo spessore, dal processo (reattivo/inerte) utilizzato e dalla velocità di taglio desiderata.

Quantità di apporto di calore richiesto per vari materiali a vari spessori utilizzando una CO
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laser [watt]
Materiale Spessore materiale
0,51 mm 1,0 mm 2,0 mm 3,2 mm 6,4 mm
Acciaio inossidabile 1000 1000 1000 1500 2500
Alluminio 1000 1000 1000 3800 10000
Acciaio dolce 400 500
Titanio 250 210 210 -
compensato - - 650
Boro/epossidico - 3000

Velocità di produzione e taglio

La velocità di taglio massima (velocità di produzione) è limitata da una serie di fattori tra cui la potenza del laser, lo spessore del materiale, il tipo di processo (reattivo o inerte) e le proprietà del materiale. I comuni sistemi industriali (≥1 kW) taglieranno il metallo in acciaio al carbonio da 0,51 a 13 mm di spessore. Per molti scopi, un laser può essere fino a trenta volte più veloce della sega standard.

Tagliare i tassi utilizzando una CO
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laser [cm/secondo]
Materiale del pezzo Spessore materiale
0,51 mm 1,0 mm 2,0 mm 3,2 mm 6,4 mm 13 mm
Acciaio inossidabile 42.3 23.28 13.76 7.83 3.4 0,76
Alluminio 33.87 14.82 6.35 4.23 1.69 1.27
Acciaio dolce 8.89 7.83 6.35 4.23 2.1
Titanio 12,7 12,7 4.23 3.4 2,5 1.7
compensato - - 7.62 1.9
Boro / epossidico - 2,5 2,5 1.1

Guarda anche

Riferimenti

Bibliografia