Wraz z szybkim rozwojem medycyny, lotnictwa, przemysłu kosmicznego, półprzewodników i energetyki, wymagania dotyczące wydajności kluczowych komponentów stale rosną, co sprzyjało rozwojowi technologii przetwarzania i sprzętu. W tych dziedzinach wybór technologii cięcia komponentów ma kluczowe znaczenie dla jakości i wydajności produktu. Chociaż tradycyjne technologie cięcia mechanicznego i cięcia wodą pod wysokim ciśnieniem są szeroko stosowane, cięcie laserowe stopniowo staje się pierwszym wyborem ze względu na swoje zalety w zakresie wydajności przetwarzania, precyzji i przyjazności dla środowiska. Technologia cięcia laserowego bezpośrednio napromieniowuje materiał za pomocą wiązki lasera o wysokiej energii, aby osiągnąć cięcie o wysokiej precyzji i wydajności. Jednocześnie nie powoduje oczywistego kontaktu fizycznego podczas procesu cięcia, zmniejszając w ten sposób zanieczyszczenie środowiska i dostosowując się do koncepcji zielonej produkcji.
Technologia cięcia laserowego wykazała swoją wyższość w wielu scenariuszach zastosowań. Na przykład w dziedzinie medycyny, gdy mój kraj wkracza w starzejące się społeczeństwo, popyt rynkowy na stenty wewnątrznaczyniowe gwałtownie wzrósł, a tempo wzrostu rynku przekroczyło 20% w ostatnich latach. Technologia cięcia laserowego ma potencjał, aby być szeroko stosowana w obróbce stentów wewnątrznaczyniowych ze względu na swoją wysoką precyzję i adaptacyjność. Jednak tradycyjne cięcie laserowe może w niektórych przypadkach powodować uszkodzenia termiczne materiału, które utworzą drobne osady i warstwę poddaną wpływowi ciepła na powierzchni materiału, wpływając tym samym na wydajność i żywotność materiału. Aby przezwyciężyć te ograniczenia, technologia cięcia laserowego kierowanego wodą wyłoniła się jako innowacyjna metoda cięcia. Poprzez wprowadzenie przepływu wody podczas procesu cięcia laserowego może skutecznie zmniejszyć uszkodzenia termiczne i poprawić jakość powierzchni ciętego materiału.
Czym jest laser kierowany wodą
Technologia cięcia laserowego z prowadzeniem wodnym to innowacyjna metoda obróbki kompozytów, która wykorzystuje strumień wody do prowadzenia wiązki laserowej w celu dokładnego cięcia przedmiotu obrabianego. Podstawą tej technologii jest wykorzystanie różnych współczynników refrakcji wody i powietrza. Gdy wiązka laserowa jest skierowana na interfejs woda-powietrze pod pewnym kątem, jeśli kąt padania jest mniejszy niż krytyczny kąt całkowitego odbicia, wiązka laserowa zostanie całkowicie odbita i nie przeniknie interfejsu, zapewniając w ten sposób, że energia lasera jest skutecznie ograniczona i przesyłana w wiązce wodnej.
Wiązka lasera jest najpierw skupiana przez soczewkę wypukłą, a następnie przechodzi przez okno ze szkła kwarcowego do połączonej wnęki wodnej. Poprzez precyzyjną regulację odległości między soczewką skupiającą a dyszą otworkową można zapewnić, że ognisko lasera jest precyzyjnie ustawione na środku górnej powierzchni dyszy. Następnie wiązka lasera wchodzi do stabilnego strumienia wody, gdzie następuje całkowite odbicie z powodu różnicy współczynnika załamania światła, proces podobny do propagacji światła w światłowodzie. Podczas obróbki skupiona wiązka lasera jest prowadzona przez wiązkę wody pod wysokim ciśnieniem i bezpośrednio przesyłana na powierzchnię przedmiotu obrabianego, co pozwala uzyskać wydajne i precyzyjne rezultaty cięcia.
Zalety lasera prowadzonego wodą
Technologia cięcia laserowego strumieniem wody to innowacyjna metoda przetwarzania łącząca strumienie wody i wiązki laserowe. Jest szeroko stosowana w dziedzinach precyzyjnej produkcji i mikroobróbki. W porównaniu z tradycyjnym cięciem laserowym, cięcie laserowe prowadzone strumieniem wody ma kilka unikalnych zalet, które sprawiają, że jest szczególnie dobre w niektórych scenariuszach zastosowań.
Przede wszystkim, cechą wyróżniającą cięcia laserowego prowadzonego wodą jest to, że unika się uszkodzeń termicznych. Ze względu na wysoką temperaturę, tradycyjne cięcie laserowe może łatwo powodować odkształcenia termiczne materiałów i uszkodzenia mikrostruktury. W cięciu laserowym prowadzonym wodą, wyrzucany strumień wody skutecznie chłodzi materiał podczas przerwy impulsu laserowego, co znacznie zmniejsza naprężenia termiczne materiału i pozwala mu zachować pierwotne właściwości fizyczne i chemiczne.
Po drugie, włókno wodne ma dużą odległość roboczą podczas pracy i nie wymaga precyzyjnego ogniskowania wiązki laserowej, jak tradycyjne cięcie laserowe, co zapewnia większą elastyczność w obróbce materiałów o złożonej geometrii. Ponadto przepływ wody nie tylko działa jako chłodziwo podczas procesu cięcia, ale także usuwa stopiony materiał wytwarzany podczas procesu cięcia, tym samym znacznie zmniejszając osadzanie się zanieczyszczeń w obszarze przetwarzania, co jest szczególnie ważne w środowiskach przetwarzania o wysokich wymaganiach czystości.
Ponadto, ponieważ cięcie laserowe prowadzone wodą może osiągnąć wysoką precyzję usuwania materiału, ta technologia jest szczególnie odpowiednia do obróbki cienkościennych części i jest lepsza od tradycyjnych metod obróbki laserowej pod względem precyzji i jakości powierzchni. Wraz z ciągłym postępem technologii oczekuje się, że cięcie laserowe prowadzone wodą zastąpi tradycyjne cięcie laserowe w większej liczbie dziedzin i stanie się bardziej wydajną i przyjazną dla środowiska metodą obróbki.
Trudności techniczne i trendy rozwojowe cięcia laserowego prowadzonego wodą
1. Tłumienie lasera w wiązce wodnej: Jako zaawansowana metoda przetwarzania łącząca strumień wody i laser, technologia cięcia laserowego prowadzonego wodą wykazała wyjątkowy potencjał w precyzyjnej produkcji. Jednak ze względu na duże tłumienie energii lasera w wodzie ogranicza to jego wydajność w zastosowaniach o dużej mocy. W szczególności laser o dużej gęstości mocy w wiązce wodnej ma duże tłumienie energii z powodu wielokrotnego rozpraszania i absorpcji, co skutkuje zmniejszeniem prędkości przetwarzania. Na przykład podczas cięcia materiałów kompozytowych z włókna węglowego o grubości 18 mm prędkość wynosi tylko 5 mm na minutę, co znacznie ogranicza zastosowanie tej technologii w obróbce grubych materiałów. Chociaż obecne badania ujawniły podstawowe zasady transmisji laserowej w wodzie, to jak skutecznie zmniejszyć to tłumienie jest nadal problemem technicznym do rozwiązania. W przyszłości materiały dielektryczne o lepszych właściwościach przewodzenia światła mogą zostać opracowane w celu zastąpienia wiązek wodnych, co poprawi wydajność cięcia i przydatność procesu.
2. Wyzwanie miniaturyzacji strumienia wody: W technologii cięcia laserowego prowadzonego wodą średnica strumienia wody bezpośrednio wpływa na precyzję i szerokość cięcia. Dzięki rozwojowi technologii mikroobróbki średnica dyszy może zostać zmniejszona do 30 mikronów, co pozwala na osiągnięcie wysokiej precyzji cięcia. Jednak dalsza miniaturyzacja strumieni wody wiąże się z szeregiem wyzwań technicznych, w tym stabilnością wiązki wody, efektywną długością i kontrolą średnicy plamki lasera. Problemy te nie tylko wpływają na efekt cięcia, ale także stawiają wyższe wymagania dotyczące projektowania i produkcji sprzętu. Przyszłe badania mogą skupić się na optymalizacji konstrukcji dyszy i dynamiki płynów w celu dalszej poprawy dokładności cięcia przy jednoczesnym zachowaniu stabilności strumienia wody.
3. Wymagania techniczne dotyczące obróbki otworów dyszowych: Aby zapewnić wysoką jakość cięcia laserowego prowadzonego wodą, kluczowe znaczenie ma konstrukcja i dokładność wykonania otworu dyszowego. Otwór dyszowy musi mieć niezwykle cienką grubość ścianki, zachowując jednocześnie wysoką precyzję okrągłości i brak stożka, aby oprzeć się wpływowi przepływu wody. Ponadto chropowatość wewnętrznej powierzchni otworu musi być kontrolowana na niezwykle niskim poziomie, aby zapewnić stabilność i spójność wiązki wodnej. Te wysokie wymagania projektowe sprawiają, że obróbka otworów dyszowych jest niezwykle trudna, szczególnie w produkcji masowej. Jak zachować spójność i dokładność, to kluczowe wyzwanie stojące przed przemysłem wytwórczym.
4. Złożoność układu sterowania wyrównaniem sprzężenia: W systemie cięcia laserowego prowadzonego wodą, dokładność sprzężenia i wyrównania wiązki laserowej i wiązki wodnej bezpośrednio wpływa na jakość cięcia. Obecnie, mimo że przyjęto mechanizmy sterowania serwonapędem o wysokiej precyzji, problem szybkiego i dokładnego sprzężenia wiązki laserowej i wodnej nie został całkowicie rozwiązany. Aby poprawić dokładność sprzężenia, konieczne jest wprowadzenie bardziej zaawansowanych systemów wykrywania i kalibracji, takich jak system wykrywania sprzężenia światłowodu wiązki wodnej i ogniskowania lasera, system pozycjonowania przedmiotu obrabianego itp. Integracja i optymalizacja tych systemów są kluczem do osiągnięcia precyzyjnego cięcia laserowego prowadzonego wodą.
5. Niewystarczające systematyczne badania procesów: Chociaż technologia laserowa prowadzona wodą wykazała wiele zalet w teorii, kontrola procesów nadal napotyka wiele wyzwań w praktycznych zastosowaniach. Obecnie w branży brakuje kompletnej technologii przetwarzania i systemu oceny, co utrudnia utrzymanie kluczowych wskaźników, takich jak wydajność przetwarzania, dokładność i integralność powierzchni materiału. Brak tych badań procesowych sprawia, że adaptowalność technologii cięcia laserowego prowadzonego wodą jest słaba w różnych materiałach i warunkach grubości. Dlatego w przyszłości potrzebne są bardziej systematyczne badania procesowe w celu ustanowienia kompleksowej biblioteki parametrów procesu i standardów oceny, tak aby zwiększyć potencjał zastosowań przemysłowych technologii laserowej prowadzonej wodą.
