คู่มือพื้นฐานการตัดด้วยเลเซอร์สำหรับผู้เริ่มต้น

คำนิยาม

ตัดเลเซอร์ เป็นวิธีการตัดด้วยความร้อนที่ใช้ลำแสงเลเซอร์ที่มีความหนาแน่นกำลังสูงที่โฟกัสเพื่อฉายรังสีไปยังวัสดุที่จะตัด ทำให้วัสดุร้อนขึ้นอย่างรวดเร็วและถึงจุดติดไฟ จากนั้นหลอมละลาย ระเหย กลายเป็นไอ และกลายเป็นรู เมื่อลำแสงเคลื่อนที่ผ่านวัสดุ รูจะขยายใหญ่ขึ้นจนกลายเป็นรอยแยกที่แคบลง และในขณะเดียวกัน วัสดุที่หลอมละลายจะถูกพัดออกไปด้วยก๊าซทำงานที่มีแรงดันสูงเพื่อให้ตัดได้เรียบเนียนและสะอาด

หลัก

เลเซอร์ใช้การกระตุ้นของสารเพื่อสร้างลำแสง ลำแสงนี้มีอุณหภูมิสูง เมื่อสัมผัสกับวัสดุ มันสามารถละลายบนพื้นผิวของวัสดุได้อย่างรวดเร็วเพื่อสร้างรู การตัดจะเกิดขึ้นตามการเคลื่อนที่ของจุดลงทะเบียน เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีการตัดแบบดั้งเดิม วิธีการตัดจะมีช่องว่างที่เล็กกว่าและสามารถประหยัดวัสดุได้ส่วนใหญ่ อย่างไรก็ตาม การวิเคราะห์จะถูกกำหนดตามเอฟเฟกต์การตัด วัสดุที่ตัดตามเลเซอร์มีผลการตัดที่น่าพอใจและมีความแม่นยำสูง สิ่งนี้ได้รับการถ่ายทอด นอกเหนือจากข้อดีของเลเซอร์แล้ว ยังไม่สามารถเทียบได้กับวิธีการตัดทั่วไป

ประเภท

การตัดด้วยเลเซอร์แบ่งออกเป็น 4 ประเภท ได้แก่ การตัดด้วยการระเหย การตัดด้วยการหลอม การตัดด้วยออกซิเจน การขีดเขียน และการแตกหักแบบควบคุม

1. การตัดด้วยเลเซอร์ระเหย

การใช้ลำแสงเลเซอร์ที่มีความหนาแน่นพลังงานสูงในการให้ความร้อนกับชิ้นงาน ทำให้อุณหภูมิเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ถึงจุดเดือดของวัสดุภายในเวลาอันสั้นมาก และวัสดุจะเริ่มระเหยกลายเป็นไอ ความเร็วในการพ่นไอเหล่านี้สูงมาก และในขณะเดียวกันที่ไอถูกพ่นออก วัสดุก็เกิดรอยตัด ความร้อนจากการระเหยของวัสดุโดยทั่วไปจะสูงมาก ดังนั้นการระเหยและการตัดด้วยเลเซอร์จึงต้องใช้พลังงานและความหนาแน่นของพลังงานมาก

การตัดด้วยการระเหยส่วนใหญ่ใช้กับวัสดุโลหะที่บางมากและวัสดุที่ไม่ใช่โลหะ (เช่น กระดาษ ผ้า ไม้ พลาสติก และยาง เป็นต้น)

2. การตัดหลอมด้วยเลเซอร์

ในการตัดหลอมโลหะ วัสดุโลหะจะถูกหลอมด้วยความร้อนจากเลเซอร์ จากนั้นก๊าซที่ไม่เกิดออกซิเดชัน (Ar, He, N เป็นต้น) จะถูกพ่นผ่านหัวฉีดร่วมแกนกับลำแสง และโลหะเหลวจะถูกปล่อยออกมาด้วยแรงดันที่รุนแรงของก๊าซเพื่อสร้างการตัด การตัดหลอมโลหะด้วยเลเซอร์ไม่จำเป็นต้องทำให้โลหะระเหยอย่างสมบูรณ์ และพลังงานที่ต้องการคือเพียง 1/10 ของการตัดด้วยการระเหย

การหลอมโลหะส่วนใหญ่มักใช้กับวัสดุที่ไม่ถูกออกซิไดซ์หรือโลหะที่มีฤทธิ์ได้ง่าย เช่น เหล็กกล้าไร้สนิม ไททาเนียม อลูมิเนียม และโลหะผสมของโลหะเหล่านี้

3. การตัดออกซิเจนด้วยเลเซอร์

หลักการของการตัดด้วยออกซิเจนด้วยเลเซอร์นั้นคล้ายคลึงกับการตัดด้วยออกซีอะเซทิลีน โดยใช้ลำแสงเลเซอร์เป็นแหล่งความร้อนในการอุ่นล่วงหน้า และใช้ก๊าซที่มีฤทธิ์ เช่น ออกซิเจน เป็นก๊าซที่ใช้ในการตัด ในแง่หนึ่ง ก๊าซที่เป่าออกมาจะทำปฏิกิริยากับโลหะที่ใช้ตัดเพื่อก่อให้เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันและปล่อยความร้อนออกซิเดชันในปริมาณมาก ในอีกแง่หนึ่ง ออกไซด์ที่หลอมเหลวและของเหลวที่หลอมละลายจะถูกเป่าออกมาจากโซนปฏิกิริยาเพื่อสร้างการตัดในโลหะ เนื่องจากปฏิกิริยาออกซิเดชันในกระบวนการตัดก่อให้เกิดความร้อนจำนวนมาก พลังงานที่จำเป็นสำหรับการตัดด้วยออกซิเจนด้วยเลเซอร์จึงมีเพียงแค่ 1/2 การตัดแบบหลอมละลาย และความเร็วในการตัดจะเร็วกว่าการตัดแบบระเหยและหลอมละลายมาก การตัดด้วยออกซิเจนด้วยเลเซอร์ส่วนใหญ่ใช้กับวัสดุโลหะที่ออกซิไดซ์ได้ง่าย เช่น เหล็กกล้าคาร์บอน เหล็กกล้าไททาเนียม และเหล็กกล้าที่ผ่านการอบด้วยความร้อน

4. การขีดเขียนด้วยเลเซอร์และการหักที่ควบคุมได้

การขีดเขียนด้วยเลเซอร์ใช้เลเซอร์ที่มีความหนาแน่นพลังงานสูงในการสแกนพื้นผิวของวัสดุเปราะบาง ดังนั้นวัสดุจึงได้รับความร้อนเพื่อระเหยร่องเล็กๆ จากนั้นจึงใช้แรงกดบางอย่าง วัสดุเปราะบางจะแตกร้าวตามร่องเล็กๆ เลเซอร์สำหรับการขีดเขียนโดยทั่วไปจะเป็นแบบ Q-switched และ CO2 เลเซอร์

การควบคุมการแตกหักคือการใช้การกระจายอุณหภูมิที่สูงชันซึ่งเกิดจากการสร้างร่องด้วยเลเซอร์ ซึ่งทำให้เกิดความเครียดจากความร้อนในบริเวณนั้นในวัสดุที่เปราะบาง และทำให้วัสดุแตกหักตามร่องเล็กๆ

คุณสมบัติ

เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีการตัดด้วยความร้อนแบบอื่น การตัดด้วยเลเซอร์จะมีคุณสมบัติในการตัดที่รวดเร็วและมีคุณภาพสูง โดยสรุปได้ดังนี้

1. คุณภาพการตัดที่ดี

เนื่องจากจุดตัดขนาดเล็ก ความหนาแน่นของพลังงานสูง และความเร็วในการตัดที่รวดเร็ว จึงสามารถให้คุณภาพการตัดสูงได้

ก. รอยตัดมีขนาดแคบ ทั้งสองด้านของรอยตัดขนานและตั้งฉากกับพื้นผิว และความแม่นยำของมิติของชิ้นส่วนที่ตัดสามารถเข้าถึง ±0.05mm.

ข. พื้นผิวการตัดเรียบและสะอาด ความหยาบของพื้นผิวมีเพียงสิบไมครอน โดยไม่ต้องใช้กระบวนการทางกล และสามารถใช้ชิ้นส่วนได้โดยตรง

c. หลังจากที่วัสดุถูกตัดด้วยเลเซอร์แล้ว ความกว้างของโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนจะเล็กมาก ประสิทธิภาพของวัสดุใกล้รอยแยกแทบจะไม่ได้รับผลกระทบ และการเสียรูปของชิ้นงานจะเล็ก ความแม่นยำในการตัดจะสูง รูปทรงเรขาคณิตของรอยแยกนั้นดี และรูปร่างหน้าตัดของรอยแยกนั้นเป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าปกติมากขึ้น

2. ประสิทธิภาพการตัดสูง

เนื่องจากคุณสมบัติการส่งผ่าน เครื่องตัดเลเซอร์จึงมักติดตั้งโต๊ะทำงาน CNC หลายตัว และสามารถควบคุมกระบวนการตัดทั้งหมดด้วย CNC ได้อย่างสมบูรณ์ ในระหว่างการทำงาน จำเป็นต้องเปลี่ยนโปรแกรมควบคุมเชิงตัวเลขเท่านั้น ซึ่งสามารถนำไปใช้กับการตัดชิ้นส่วนที่มีรูปร่างต่างๆ ทั้งการตัดแบบ 2 มิติและ 3 มิติ

3. ความเร็วในการตัดที่รวดเร็ว

โดยใช้เลเซอร์ที่มีกำลัง 1200W การตัด 2mm แผ่นเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำหนา ความเร็วในการตัดสามารถถึง 600 ซม./นาที ตัดได้ 5mm แผ่นเรซินโพลีโพรพีลีนหนา ความเร็วในการตัดสามารถสูงถึง 1200 ซม./นาที ไม่จำเป็นต้องยึดและตรึงวัสดุระหว่างการตัด ซึ่งไม่เพียงแต่ช่วยประหยัดอุปกรณ์ติดตั้งเครื่องมือเท่านั้น แต่ยังประหยัดเวลาเสริมในการโหลดและขนถ่ายอีกด้วย

4. การตัดแบบไม่สัมผัส

หัวตัดไม่มีการสัมผัสชิ้นงาน และไม่มีการสึกหรอของเครื่องมือ สำหรับการประมวลผลชิ้นส่วนที่มีรูปร่างต่างๆ ไม่จำเป็นต้องเปลี่ยน "เครื่องมือ" เพียงแค่เปลี่ยนพารามิเตอร์เอาต์พุตของเลเซอร์ กระบวนการตัดมีเสียงรบกวนต่ำ การสั่นสะเทือนเล็กน้อย และไม่มีมลพิษ

5.วัสดุตัดมีหลายประเภท

เมื่อเปรียบเทียบกับการตัดด้วยออกซีอะเซทิลีนและการตัดด้วยพลาสม่าแล้ว มีวัสดุที่สามารถตัดด้วยเลเซอร์ได้หลายประเภท เช่น โลหะ วัสดุที่ไม่ใช่โลหะ วัสดุคอมโพสิตที่มีและไม่มีโลหะเป็นส่วนประกอบ หนัง ไม้ และไฟเบอร์ แต่สำหรับวัสดุที่แตกต่างกัน เนื่องจากคุณสมบัติทางเทอร์โมฟิสิกส์ที่แตกต่างกันและอัตราการดูดซับสำหรับเลเซอร์ที่แตกต่างกัน วัสดุเหล่านี้จึงแสดงให้เห็นถึงความสามารถในการปรับตัวที่แตกต่างกันสำหรับการตัดด้วยเลเซอร์

การใช้งาน

เครื่องตัดเลเซอร์ส่วนใหญ่ควบคุมด้วยโปรแกรม CNC หรือสร้างเป็นหุ่นยนต์ตัด เนื่องจากเป็นวิธีการประมวลผลที่แม่นยำ เลเซอร์จึงสามารถตัดวัสดุได้แทบทุกชนิด รวมถึงการตัดแผ่นโลหะบางแบบ 2 มิติหรือ 3 มิติ

ในด้านการผลิตยานยนต์ เทคโนโลยีการตัดส่วนโค้งของอวกาศ เช่น กระจกหน้าต่างรถยนต์ ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลาย บริษัท Volkswagen ของเยอรมนีใช้เลเซอร์ที่มีกำลัง 500W สำหรับการตัดแผ่นลำตัวที่มีรูปร่างซับซ้อนและส่วนโค้งต่างๆ ในด้านการบินและอวกาศ เทคโนโลยีเลเซอร์ใช้สำหรับการตัดวัสดุการบินพิเศษ เช่น โลหะผสมไททาเนียม โลหะผสมอลูมิเนียม โลหะผสมนิกเกิล โลหะผสมโครเมียม สแตนเลส เบริลเลียมออกไซด์ วัสดุคอมโพสิต พลาสติก เซรามิก และควอตซ์ ชิ้นส่วนการบินและอวกาศที่ตัดด้วยเลเซอร์ ได้แก่ ท่อเปลวไฟเครื่องยนต์ ตัวเรือนผนังบางโลหะผสมไททาเนียม โครงเครื่องบิน ผิวโลหะผสมไททาเนียม โครงปีก แผงหางปีก ใบพัดหลักของเฮลิคอปเตอร์ กระเบื้องฉนวนความร้อนเซรามิกของกระสวยอวกาศ เป็นต้น

เทคโนโลยีการตัดด้วยเลเซอร์ยังใช้ในสาขาของวัสดุที่ไม่ใช่โลหะ ไม่เพียงแต่สามารถตัดวัสดุที่มีความแข็งและเปราะบางสูง เช่น ซิลิกอนไนไตรด์ เซรามิก ควอตซ์ เป็นต้น แต่ยังสามารถตัดและประมวลผลวัสดุที่มีความยืดหยุ่น เช่น ผ้า กระดาษ แผ่นพลาสติก ยาง เป็นต้น เช่น การตัดเสื้อผ้าด้วยเลเซอร์ ช่วยประหยัดเสื้อผ้าได้ 10%～12% เพิ่มประสิทธิภาพได้มากกว่า 3 เท่า

แนวโน้ม

1. เครื่องตัดเลเซอร์จะยังคงเป็นการปฏิวัติผลิตภัณฑ์อันทรงคุณค่าแห่งยุคต่อไป

แหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์เป็นส่วนประกอบหลักของเครื่องตัด และยังเป็นตัวบ่งชี้ที่สำคัญที่กำหนดประเภทและความสามารถในการตัดของเครื่องตัดเลเซอร์ ไม่ต้องบอกก็รู้ว่าในอนาคต แหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์ก็จะมีการเปลี่ยนแปลงในเครื่องตัดเลเซอร์เช่นกัน ดังที่กล่าวไว้ข้างต้น การแทนที่แหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์ CO2 เครื่องตัดเลเซอร์ เครื่องตัดเลเซอร์ไฟเบอร์ถือเป็นการปฏิวัติทางเทคโนโลยีที่สำคัญที่สุดในรอบ 40 ปีนับตั้งแต่มีการตัดเลเซอร์ ซึ่งนำมาซึ่งประโยชน์ทางเศรษฐกิจอันล้ำยุคแก่ผู้ผลิตและผู้ใช้ทั้งรายใหม่และรายเก่าในสาขานี้ ดังนั้นในอนาคตจะมีแหล่งกำเนิดแสงใหม่ที่ราคาถูกกว่าเลเซอร์ไฟเบอร์ มีประสิทธิภาพที่ดีกว่า โหมดลำแสงที่ยอดเยี่ยมกว่า อัตราการแปลงอิเล็กโทรออปติกที่สูงขึ้น หรือต้นทุนโดยรวมที่ต่ำกว่าหรือไม่ คำตอบคือใช่แน่นอน แล้วถามว่าเลเซอร์ชนิดใด แน่นอนว่าไม่สามารถให้คำตอบที่ถูกต้องได้ในตอนนี้ วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีบางครั้งก็ล้มเหลว บางครั้งก็เป็นระยะทางหลายพันไมล์ต่อวัน

2. ไฟเบอร์เลเซอร์กำลังสูงจะกลายเป็นกำลังหลักในตลาดการตัดด้วยเลเซอร์

ปัจจุบัน เครื่องตัดไฟเบอร์ออปติกที่มีกำลังตัดหลากหลายประเภทได้ก้าวเข้าสู่การพัฒนาครั้งยิ่งใหญ่ อย่างไรก็ตาม ในอนาคต เครื่องตัดเลเซอร์จะมีกำลังตัดกระแสหลักอยู่ที่ใด แม้ว่าเครื่องในแต่ละประเภทจะมีการใช้งานที่แตกต่างกัน แต่เลเซอร์ตระกูลต่างๆ ที่เริ่มต้นด้วยเลเซอร์ไฟเบอร์กำลังสูงและจุดชนวนให้เกิดการปฏิวัติเทคโนโลยีเลเซอร์ระดับโลก ถือว่ากำลังตัดที่สูงขึ้น ความแม่นยำสูงขึ้น และความสามารถในการตัดที่มากขึ้นเป็นหนึ่งในทิศทางการพัฒนาที่สำคัญของเครื่องตัดเลเซอร์ไฟเบอร์ STYLECNC เพิ่งเปิดตัว 15KW ความเร็วสูงพิเศษ เครื่องตัดเลเซอร์ใยซึ่งประสบความสำเร็จอย่างไม่เคยมีมาก่อนในด้านความเร็วในการตัดและความหนาในการตัด ซึ่งดึงดูดความสนใจของอุตสาหกรรม สิ่งนี้จำกัดแนวโน้มการพัฒนาในอนาคตของเครื่องตัดเลเซอร์หรือไม่ เป็นสิ่งที่ควรค่าแก่การรอคอยจากผู้เชี่ยวชาญในอุตสาหกรรม นักวิชาการ และเพื่อนผู้ใช้ นอกจากนี้ เรายังมั่นใจได้ว่าในอนาคตอันใกล้นี้ ผู้ผลิตเครื่องตัดเลเซอร์ไฟเบอร์ในและต่างประเทศจำนวนมากจะนำไปสู่การแข่งขันในตลาดที่ดุเดือด เฉพาะบริษัทที่มีคุณภาพผลิตภัณฑ์ที่ยอดเยี่ยม มุ่งเน้นการลงทุนด้านการวิจัยและพัฒนาอย่างต่อเนื่อง และเชี่ยวชาญด้านเทคโนโลยีการแข่งขันหลักเท่านั้นที่จะทำได้และอยู่ยงคงกระพัน

3. ยุคแห่งปัญญาใกล้จะมาถึงแล้ว

ไม่ว่าจะเป็นอุตสาหกรรม 4.0 ในเยอรมนีหรือการผลิตอัจฉริยะในจีน การปฏิวัติอุตสาหกรรมครั้งที่ 4 ในภาคอุตสาหกรรมกำลังมาถึง ในฐานะผู้ผลิตเครื่องจักรที่มีความแม่นยำสูง เครื่องตัดเลเซอร์ CNCเครื่องตัดเลเซอร์จะก้าวทันยุคสมัยและก้าวทันเทคโนโลยีอย่างแน่นอน การพัฒนาระบบอัตโนมัติของเครื่องตัดเลเซอร์ช่วยปรับปรุงขีดความสามารถในการผลิตและระดับระบบอัตโนมัติของโรงงานแผ่นโลหะได้อย่างมาก

ในอนาคต ยุคของการผลิตเครื่องตัดเลเซอร์อัจฉริยะกำลังก่อตัวขึ้นในด้านเทคโนโลยีเครือข่าย เทคโนโลยีการสื่อสาร เทคโนโลยีซอฟต์แวร์คอมพิวเตอร์ และสาขาอื่นๆ คาดการณ์ได้ว่าในฐานะวิธีการตัดแผ่นโลหะที่มีความแม่นยำ เครื่องนี้จะใช้ความสามารถในการสื่อสารเครือข่ายของตัวเองอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ในการสื่อสารกับสายการคลายม้วนแผ่น เครื่องดัด เครื่องเจาะ CNC หน่วยเชื่อม (ย้ำหมุด) สายการพ่นทรายและการเคลือบของโรงงาน อุปกรณ์อื่นๆ ที่ฝังอยู่ในแผนการผลิตแบบรวม ระบบจัดการงานและการประเมิน ได้กลายมาเป็นส่วนสำคัญของระบบการจัดการเวิร์กช็อปแผ่นโลหะ เป็นผลให้ผู้ผลิตเลเซอร์จะค่อยๆ เปลี่ยนเป็นผู้รับเหมาผลิตแผ่นโลหะ