برش لیزری چیست؟ فرایند، کاربردها، انواع و مواد

آخرین به روزرسانی

مقدمه

دستگاه برش لیزری ماشینی است که از پرتوی متمرکز لیزر با انرژی بالا برای برش مواد مختلف ورقه‌ای یا صفحه‌ای استفاده می‌کند تا قطعات دو بعدی برای کاربردهای صنعتی و حتی تفریحی بسازد. مواد معمول موردنیاز برای برش لیزری شامل چوب، فولاد و برخی پلاستیک ها هستند.

لیزر (LASER) مخفف “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” است که به مکانیسم فیزیکی تولید نور لیزر اشاره دارد. درحالی‌که فیزیک بنیادی لیزرها بدون تغییر باقی می‌ماند، سه نوع اصلی از این فناوری وجود دارد: لیزر دی‌اکسید کربن (CO2)، لیزر فیبر نوری (Fiber)، و لیزر نئودیمیم یاگ (Nd:YAG).

این مقاله به تفصیل نحوه تولید و هدایت پرتو لیزر به سمت مواد برای برش را توضیح می‌دهد. همچنین تفاوت‌های بین فناوری‌های مختلف برش لیزری را شرح می‌دهد.

فرایند برش لیزری: نحوه عملکرد برش لیزری

دستگاه برش لیزری با هدایت یک پرتو نور با قطر بسیار کوچک و پرانرژی به صورت عمودی بر روی یک ورق یا صفحه ماده برای برش آن در یک طرح دوبعدی کار می‌کند. این پرتو با حرکت لیزر در جهت X و Y در بستر دستگاه عمل می‌کند. این پرتو مواد را ذوب می‌کند یا می‌سوزاند و دستورالعمل حرکتی و طرح مد نظر از طریق دستورات کامپیوتری به نام جی-کد (G-code) تعیین شده است.

گاهی اوقات از یک جریان گاز با فشار بالا برای هدایت مواد مذاب به‌بیرون و پایین قطعه‌کار استفاده می‌شود. این کار انجام می شود تا مواد زائد در ناحیه برش باقی نمانند و پس از دورشدن پرتو لیزر، دوباره جامد نشوند. در موارد دیگر، پرتو لیزر به سادگی مواد را بخار می کند. روش تولید پرتو لیزر بین فناوری‌های مختلف لیزر متفاوت است، اما در اصل، همه آنها از مراحل زیر پیروی می کنند:

مرحله 1: تولید فایل جی-کد

قبل از انجام هرگونه برش، باید G-code برای قطعه کار تولید شود. این کد مجموعه‌ای از دستورالعمل‌های قابل خواندن توسط ماشین است که به دستگاه می‌گوید سر برش لیزری را به کجا حرکت دهد. اپراتور می تواند دستورالعمل ها را برای اشکال ساده با دست تولید کند. ولی اشکال پیچیده‌تر نیاز به نرم‌افزار تولید به کمک کامپیوتر (CAM) دارند تا به طور خودکار این G-code را از یک فایل طراحی به کمک کامپیوتر (CAD) ارائه شده، تولید کنند. این جی-کد باید از طریق اتصال Wi-Fi یا با استفاده از درایو USB برای دستگاه ارسال شود.

مرحله 2: تولید پرتو لیزر

پرتو لیزر در داخل رزوناتور (محفظه تشدید) تولید می شود. فناوری‌های مختلف لیزر از محیط‌های مختلفی برای تولید لیزر استفاده می‌کنند. با این حال، فیزیک تولید پرتو برای فناوری های مختلف لیزر یکسان است.

هنگامی که یک الکترون توسط یک فوتون تحریک می شود، انرژی آن را جذب می کند تا به حالت انرژی بالاتر حرکت کند. مقدار دقیق انرژی از یک فوتون برای تحریک یک الکترون به یک حالت انرژی معین مورد نیاز است. این فرآیند به عنوان جذب تحریکی شناخته می شود.

الکترون پس از مدت زمان بسیار کوتاهی به مدار پایین‌تری باز می گردد. این فروپاشی ناشی از نوسانات کوچک در خلأ کوانتومی است که باعث می‌شود دوباره به حالت انرژی پایین‌تر سقوط کند. با بازگشت، یک فوتون ساطع می کند. این فرآیند به عنوان گسیل خودبه‌خودی شناخته می شود.

گسیل خود‌به‌خودی یک فوتون نمی‌تواند برای ایجاد پرتو لیزر استفاده شود زیرا فوتون‌های ساطع‌شده ناهماهنگ هستند چراکه در جهات تصادفی حرکت می‌کنند و خیلی سریع به حالت پایه خود بازمی‌گردند. لیزرها با استفاده از موادی با حالت شبه‌پایدار (metastable) این مشکل را حل می‌کنند. این فرآیند اجازه می‌دهد تا الکترون در مقایسه با بازه زمانی گسیل خودبه‌خودی (یعنی میلی‌ثانیه در مقابل نانو ثانیه)، برای مدت طولانی‌تری در حالت نیمه‌تحریک باقی بماند.

هنگامی که یک فوتون با یک الکترون از قبل تحریک شده در حالت شبه‌پایدار خود تعامل می کند، باعث می‌شود الکترون به مدار انرژی پایین‌تر بیفتد. هنگامی که الکترون این کار را انجام می دهد، یک فوتون با همان خواص فوتونی که در ابتدا آن را تحریک کرده است (یعنی فرکانس، فاز و قطبش یکسان) آزاد می شود. این فرآیند، گسیل تحریکی نامیده می شود و مکانیزمی است که برای ایجاد پرتو لیزر استفاده می شود. هنگامی که فرآیند شروع می شود، باعث ایجاد آبشاری از فوتون ها می شود که سپس در امتداد لوله حرکت می کنند.

مرحله 3: تقویت لیزر

هنگامی که فاز اولیه گسیل خودبه‌خودی رخ می دهد، فوتون ها در جهات تصادفی پرتاب می شوند. با این حال، برخی از آن‌ها عمود بر دو آینه در دو انتهای محیط لیزر قرار خواهند گرفت. این وضعیت دو موج نور (یکی که در محیط به سمت چپ حرکت می‌کند و دیگری به سمت راست) ایجاد می‌کند که تداخل سازنده و مخرب تشکیل می‌دهد.

وقتی این امواج ایستاده تولید می شوند، به آن تشدید (resonance) می گویند. شدت نور تا نقطه‌ای افزایش می‌یابد که آینه نیمه‌انعکاسی اجازه می‌دهد مقداری نور از آن عبور کند و یک پرتو همدوس از انرژی لیزر تولید ‌کند. نور باقی مانده همچنان در محیط لیزر منعکس می شود تا گسیل تحریکی فوتون‌ها ادامه یابد. دستگاه‌های مختلف لیزر پرتوهایی با طول‌موج‌های مختلف تولید می‌کنند.

مرحله 4: هدایت و تمرکز پرتو

همانطور که پرتو پس از تقویت محیط فعال لیزر را ترک می‌کند، یا از طریق یک کابل فیبر نوری (در مورد لیزر فیبر) یا از طریق مجموعه‌ای از آینه‌ها (برای لیزر CO2 و Nd:YAG) هدایت می‌شود. این پرتو از طریق یک عدسی که انرژی لیزر را در یک قطر بسیار کوچک متمرکز می‌کند به سمت ماده هدایت می‌شود تا یک نقطه پرانرژی متمرکز ایجاد کند.

توجه داشته باشید که لیزر فقط یک نقطه کانونی با شدت بالا دارد و کل پرتو همان شدت برش را ندارد. این تفاوت در شدت به این دلیل است که چرا برش‌های لیزری در ضخامت متریالی که می‌توانند برش دهند محدودیت دارند. این محدودیت به این‌خاطر است که شدت لیزر در بالا و پایین نقطه کانونی کاهش می‌یابد.

مرحله 5: برش مواد

هنگامی که پرتو متمرکز شد، شروع به ذوب یا بخار کردن مواد می‌کند. در مورد مواد غیر ذوب شدنی، مانند چوب، لیزر مواد را می سوزاند. در مورد فلزات، پرتو لیزر مواد را ذوب می‌کند و یک جت گازی با فشار بالا مواد مذاب را از برش دور می‌کند. این گاز می‌تواند نیتروژن یا آرگون بی اثر باشد یا اکسیژن که برای تسریع فرآیند برش فولاد استفاده می‌شود.

روش ها و تکنیک های برش لیزری

به طور کلی، دستگاه برش لیزری برای تمرکز انرژی به یک نقطه کوچک برای بخار کردن یا ذوب کردن یک ماده طراحی شده است. با این حال، روشی که با آن انرژی را پخش می کند، متفاوت است. در زیر برخی از اشکال رایج برش لیزری فهرست شده است:

برش ذوبی(Fusion Cutting)

برش ذوبی با استفاده از یک جت گاز بی اثر مانند آرگون یا نیتروژن با فشار بالا برای بیرون راندن مواد مذاب از برش ایجاد شده توسط پرتو لیزر عمل می‌کند. از یک گاز بی‌اثر استفاده می‌شود تا با فلز مذاب واکنش ندهد و به‌عنوان یک گاز محافظ برای لبه مذاب نیز عمل می‌کند.

برش شعله‌ای(Flame Cutting)

لیزر برش شعله‌ای را نباید با برش اکسی-استیلن اشتباه گرفت. این روش برش لیزری از اکسیژن برای کمک به فرآیند برش با ایجاد یک واکنش اکسیداسیون گرمازا استفاده می کند که به کاهش انرژی مورد نیاز لیزر کمک می کند. اکسیژن همچنین برای بیرون راندن فیزیکی مواد مذاب از برش استفاده می شود. این فرآیند به عنوان برش لیزری واکنشی نیز نامیده می شود.

برش از راه دور(Remote Cutting)

برش از راه دور که به عنوان برش تصعیدی (sublimation) یا تبخیری نیز شناخته می شود، از تابش لیزر با شدت بالا برای بخار کردن مستقیم مواد بدون ذوب شدن آن استفاده می کند. این روش برای برش مواد نازک مانند پلاستیک، کاغذ و پارچه مناسب است.

برش تنشی حرارتی(Thermal Stress Fracture)

برش تنشی حرارتی (یا برش به روش شکست تنشی حرارتی) تکنیکی است که برای برش مواد با ایجاد تنش در ماده اولیه استفاده می شود. یک مثال می تواند روشی باشد که برای برش نیترید آلومینیوم به کار می رود. در این روش، یک پرتو نافوکوس یا خارج از کانون برای ذوب کردن یک لایه بسیار نازک از ماده روی سطح قطعه و تشکیل اکسید آلومینیوم استفاده می شود. اکسید آلومینیوم و نیترید آلومینیومِ بستر دارای ضرایب انبساط حرارتی متفاوتی هستند. بنابراین هنگام سرد شدن مواد با سرعت های متفاوت، یک میدان تنش ایجاد می شود که باعث ترک خوردن قطعه در امتداد خط لیزر می گردد.

برش داخلی یا نهان (Stealth Dicing)

برش داخلی یا برش زیرسطحی یا درون ماده ای یک تکنیک برش است که برای قرار دادن نقطه کانونی لیزر در داخل یک ماده استفاده می‌شود. این لیزر یک لایه اصلاح‌شده در داخل ویفر(معمولاً در تولید نیمه‌رساناها) ایجاد می‌کند. ویفر (Wafer) ورقه یا دیسک نازکی است که اغلب از جنس سیلیکون و مدارهای مجتمع روی آن ساخته می‌شوند.

پس از برش ویفر، با استفاده از یک غشای انعطاف‌پذیر منبسط می‌شود تا باعث انتشار ترک‌ها در سراسر ویفر شده و تراشه‌های مجزا را که در داخل ماده برش خورده‌اند، از هم جدا کند. این تکنیک عمدتاً برای برش ویفرهای سیلیکونی استفاده می‌شود و به سایر تکنیک‌ها مانند برش با چرخ الماس برتری دارد، زیرا ویفرهای با کیفیت پایین‌تر تولید می‌کند و حین برش نیاز به خنک‌کننده دارد.

برش برداری(Vector Cutting)

برش برداری نوعی برش لیزری است که برای برش قطعاتی با خطوط صاف و تمیز به کار می‌رود. نمونه‌ای از این نوع برش، تابلوهای تبلیغاتی تجاری است. در این روش، لیزر معمولاً به طور مستقیم از میان ماده عبور می‌کند و آن را برش می‌دهد.

حکاکی لیزری رستری(Laser Rastering)

رایج‌ترین تکنیک برای حکاکی تصاویر روی سطح مواد مختلف است. در این روش، از یک تصویر بیت‌مپ به عنوان ورودی استفاده می‌شود و سپس آن تصویر به مجموعه‌ای از دستورالعمل‌ها برای دستگاه برش لیزری تبدیل می‌شود. در نهایت، دستگاه برش لیزر با استفاده از این دستورالعمل‌ها، تصویر را روی سطح ماده مورد نظر حک می‌کند.تصاویر بیت مپ  از پیکسل‌های مجزا تشکیل شده‌اند و برای حکاکی لیزری مناسب هستند.

انواع لیزرهای مورد استفاده در برش لیزری

در کاربردهای برش لیزری، به طور کلی از سه نوع لیزر استفاده می شود:

• لیزرهای CO2: برای تولید پرتوی لیزر از مخلوط CO2 و سایر گازهای خنثی بهره می گیرند.
• لیزرهای فیبری حالت جامد (Solid-state fiber lasers): در این لیزرها از یک بلور به عنوان محیط لیزینگ(ماده اصلی تولیدکننده پرتو لیزر) استفاده می شود.
• لیزرهای Nd:YAG (نئودیمیم: ایتریم آلومینیوم گارنت ) که آنها نیز از یک بلور به عنوان محیط لیزینگ بهره می برند.

اصول عملیاتی این لیزرهای مختلف اساساً یکسان است.

اینجا ترجمه دقیقی از متن شما آورده شده است. در این ترجمه سعی شده ساختار متن اصلی و واژگان فنی به شکل صحیح بکار روند:

لیزرهای دی اکسید کربن (CO2)

یک لیزر دی‌اکسید کربن (CO2) از یک لوله حاوی گاز CO2، هلیوم و نیتروژن تشکیل شده است. نیتروژن و هلیوم برای افزایش بازده لیزر در محیط لیزر گنجانده شده‌اند. نیتروژن به عنوان یک ذخیره موقت انرژی عمل می‌کند که می‌تواند بلافاصله پس از آزادسازی یک فوتون توسط مولکول CO2، آن انرژی را به CO2 منتقل کند. از طرف دیگر، هلیوم هرگونه انرژی باقیمانده از مولکول CO2 را پس از انتشار فوتون از طریق انتقال انرژی جنبشی تخلیه می‌کند و به مولکول اجازه می‌دهد تا انرژی را از مولکول نیتروژن دریافت کند.

در یک انتهای لوله یک آینه کاملاً بازتابنده و در انتهای دیگر، آینه‌ای با قابلیت بازتابش جزئی وجود دارد. گاز درون لوله توسط یک میدان الکتریکی قوی یونیزه شده و مولکول‌های CO2 را به یک حالت انرژی بالاتر برانگیخته می کند. در نتیجه، نور تولید می‌شود. هنگامی که یک فوتون از کنار یک اتم در حالت برانگیخته عبور می کند، باعث می‌شود که آن اتم یک فوتون آزاد کند.

این فوتون‌ها سپس بین دو آینه انعکاس می‌یابند تا زمانی که فوتون‌های جمع‌آوری شده برای عبور از آینه نیم بازتابش دار، کافی باشند. برای دستیابی به بازده بهینه، دمای داخل لوله باید پایین نگه داشته شود. به این منظور، لوله با یک گاز یا مایع با دمای پایین خنک می شود. در برخی از سیستم‌ها، گاز برای کاهش هزینه‌های عملیاتی بازیافت می‌شود.

لیزرهای CO2 طول موجی معادل 10600 نانومتر دارند و از لیزرهای مناسب و همه‌منظوره بوده و قادر به برش طیف گسترده‌ای از مواد و ورق های فلزی هستند. با این حال، لیزرهای CO2 در برش موادی با جذب حرارتی بالا و مواد بسیار بازتابنده با مشکل مواجه می‌شوند.

برخی از ماشین‌های CO2 رایج عبارتند از Glowforge® Plus برای علاقه‌مندان یا Kern LaserCELL® برای استفاده حرفه‌ای.

اینجا ترجمه ای روان، دقیق و با حفظ ساختار متن اصلی برای شما آماده شده است:

لیزرهای فیبری

لیزرهای فیبری از یک کابل فیبر نوری تزریق شده (dosed) به عنوان محیط لیزینگ بهره می‌برند. پرتوی لیزر فیبری، از طریق پمپاژ فوتون‌ها به درون یک رشته فیبر نوری با هسته شیشه‌ای (کوارتز یا بوروسیلیکات) تولید می‌شود. این فوتون‌ها در طول رشته فیبر نوری حرکت می کنند تا به ناحیه‌ای تزریق‌شده با یک عنصر خاکی کمیاب برسند. این عناصر معمولاً شامل نئودیمیم، ایتربیم، اربیوم یا تولیم هستند و هر کدام از آنها با طول موج خاصی پس از تحریک توسط فوتون‌ها، نور لیزر تولید می‌کنند.

سپس نور با استفاده از توری‌های بازتاببنده براگ فیبری (fiber bragg gratings) تقویت می‌شود. این توری‌ها همان عملکرد آینه‌های تمام بازتابنده و نیم بازتابنده در لیزرهای Nd:YAG و CO2 را داشته و با بازتاب پی‌درپی نور، آبشاری از فوتون‌ها را ایجاد می‌کنند. پس از رسیدن شدت نور به سطحی معین، پرتو لیزری می‌تواند به‌صورت یک پرتوی هم‌دوس و پرشدت از توری عبور کند. لیزر فیبری نیز، مانند سایر لیزرها، از گاز برای کمک به خارج کردن مواد مذاب از مسیر پرتو یا برای کمک به فرآیند برش استفاده می‌کند.

طول موج کوتاه تر لیزرهای فیبری به معنای جذب بالاتر است که این لیزرها را برای برش مواد بازتابنده مناسب می‌سازد. تابش این لیزرها همچنین گرمای کمتری در حین برش تولید می‌کند. به همین دلیل لیزرهای فیبری گزینه‌ای بسیار ایده‌آل برای برش مواد بازتابنده و نیز موادی که جاذب حرارتی خوبی هستند، مانند مس و طلا، به حساب می‌آیند.

انعطاف‌پذیری کابل فیبر نوری به این معناست که یک هد برش لیزر فیبری به‌سادگی روی یک بازوی رباتیک 6 محوره نصب می‌شود. این قابلیت نیاز به آینه‌های متعدد برای هدایت پرتو (که در لیزرهای CO2 یا Nd:YAG ضروری است) را از بین می‌برد. لیزرهای فیبری در مقایسه با لیزرهای CO2 بازده الکتریکی بالاتری دارند.

یکی از بهترین لیزرهای فیبری مورد استفاده در صنایع، سری Trumpf TruLaser 1000 است.

لیزرهای Nd:YAG و Nd:YVO

لیزرهای Nd:YAG از کریستال گارنت ایتریم آلومینیوم (Y3Al5O12) که با نئودیمیم (Nd) تزریق شده، به عنوان محیط لیزینگ استفاده می‌کنند. در این تزریق، برخی از یون‌های ایتریم (حدود 1%) با یون‌های Nd3+ جایگزین می‌شوند. این کریستال بین دو آینه قرار می‌گیرد که یکی تمام‌بازتابنده و دیگری نیم‌بازتابنده است. منبع پمپاژ فوتون‌ها، یک لامپ زنون/کریپتون یا مجموعه‌ای از دیودهای لیزری است. در مورد کریستال‌های Nd:YAG، منبع پمپاژ فوتون‌هایی را تامین می‌کند که سطح انرژی یون‌های نئودیمیم را افزایش می‌دهند.

سپس یون‌ها برای آزاد کردن آبشاری از فوتون‌ها – که پس از بازتابش بین آینه‌ها یک پرتوی لیزر همدوس را ایجاد می‌کنند – به تراز انرژی پایین‌تر بازمی‌گردند (واپاشی می‌کنند). پس از تولید پرتوی همدوس پرشدت با فرکانس 1064 نانومتر، این پرتو توسط آینه‌ها به هد برش هدایت می‌شود و در نهایت با استفاده از یک عدسی در هد برش، روی نقطه‌ای کانونی متمرکز می‌گردد.لیزرهای Nd:YVO نیز از کریستال‌های وانادات تزریق‌شده با نئودیمیم (YVO4) استفاده می‌کنند و عملکردی مشابه با لیزرهای Nd:YAG دارند. با این وجود، لیزرهای Nd:YVO پایداری توان بهبود یافته‌ای دارند، گرمای کمتری تولید می‌کنند و می‌توانند پالس‌های بیشتری در هر ثانیه ایجاد کنند.

لیزرهای Nd:YAG در مقایسه با لیزرهای فیبری از کیفیت پرتو و چگالی توان بالاتری برخوردار هستند، که آنها را برای حک (marking) و قلم‌زنی (etching) ایده‌آل می‌کند. با این حال، لیزرهای Nd:YAG هزینه‌های عملیاتی بسیار بالاتر و بازدهی انرژی تک رقمی دارند.

نمونه‌ای از دستگاه‌های برش لیزری Nd:YAG مدل Finecut 300 است.

کاربردهای رایج برش لیزری

دستگاه‌های برش لیزری از یک فناوری تولید همه‌کاره بهره می‌برند که در طیف وسیعی از کاربردها، مطابق لیست زیر، مورد استفاده قرار می‌گیرد:

• برش ورق‌های فلزی: برش لیزری به‌طور گسترده برای برش ورق‌ها و صفحات فلزی در انواع متریال‌ها از جمله فلزات، پلاستیک‌ها و چوب به ‌کار گرفته می‌شود.

• حکاکی: دستگاه‌های برش لیزری می‌توانند تقریباً روی هر ماده‌ای عمل حکاکی را انجام دهند. این لیزرها برای افزودن شماره سریال به قطعات تولیدی یا برای کارهای هنری مانند حکاکی روی چوب استفاده می‌شوند.

• جوشکاری لیزری: جوشکاری لیزری روشی است که در آن به جای قوس الکتریکی، از پرتوی لیزر برای جوش‌دادن دقیق دو ماده فلزی یا ترموپلاستیک‌ به یکدیگر استفاده می‌شود.

• برش‌ لوله: ماشین‌های لیزر با محور چرخشی قابلیت استفاده برای برش پروفیل‌های پیچیده روی مقاطع توخالی را دارند.

مزایای برش لیزری

برش لیزری یک فناوری تولیدی است که به‌طور گسترده مورد استفاده قرار گرفته است. در اینجا برخی از مزایای کلیدی این فناوری که سبب محبوبیت برش لیزری شده است را شرح می‌دهیم:

1. انعطاف‌پذیری در برش انواع مواد (تنوع متریال): دستگاه‌های برش لیزری تقریباً قابلیت برش هر نوع ماده‌ای را دارند. البته ضخامت ماده قابل برش با لیزر، تا حد زیادی به قدرت لیزر، نوع فناوری لیزر و ویژگی‌های ماده مورد نظر بستگی دارد.
2. نیاز محدود به پردازش پس از برش: قطعاتی که با لیزر بریده شده‌اند، به پردازش پس از برش کمتری نیاز دارند. البته در برخی موارد، مانند برش فلز، ممکن است لازم باشد لبه‌های بریده‌شده برای از بین بردن پلیسه یا تفاله‌های چسبیده به لبه‌ها، سنگ‌زنی شوند (deburred).
3. برش باریک: پرتوهای لیزر را می‌توان در یک نقطه بسیار متمرکز کرد، یعنی پهنای برش می‌تواند (بسته به نوع ماده و ضخامت آن) بسیار باریک (تا 0.1 میلی‌متر) باشد.
4. دقت بالا: هد برش لیزری (بر خلاف فناوری‌هایی مانند روتر CNC) هیچ‌گونه باری را تجربه نمی‌کند. بنابراین، برش‌های لیزری بسیار دقیق هستند.
5. سرعت بالا: دستگاه‌های برش لیزری قابلیت برش طرح‌های دوبعدی را با سرعت خیلی بالایی دارند. سرعت برش مواد نرمی مانند پلاستیک‌ می‌تواند بسیار بالا باشد.
6. اتوماسیون: دستگاه‌های برش لیزری قابلیت اتوماسیون بالایی دارند. برخی از این ماشین‌ها می‌توانند مواد خام را در بستر برش قرار داده و قطعات ساخته‌شده را با دخالت انسانی محدود تخلیه کنند.
7. هزینه ابزارسازی: دستگاه‌های برش لیزری برخلاف ماشین‌کاری CNC، از ابزارهای متنوعی استفاده نمی‌کنند. از آنجایی که هد برش لیزری با ماده خام تماس ندارد، هیچ‌گونه سایشی منجر به فرسودگی ابزار رخ نمی‌دهد.
8. عدم نیاز به نگهدارنده قطعه: برش لیزری به گیره یا سایر تجهیزات نگهدارنده قطعه نیازی ندارد. متریال به سادگی روی بستر برش قرار می‌گیرد و در طول فرآیند برش حرکتی نخواهد داشت.

معایب برش لیزری

با وجود مزایای فراوان، برش لیزری همچنان محدودیت‌هایی دارد که در ادامه شرح داده می‌شوند:

1. مصرف بالای انرژی: برش لیزری انرژی زیادی مصرف می‌کند، به‌ویژه در فناوری‌هایی مانند برش لیزری CO2.
2. محدودیت ضخامت: با توجه به ماهیت فیزیکی متمرکز کردن پرتو لیزر در یک نقطه با شدت بالا، دستگاه‌های برش لیزری از نظر ضخامت متریالی که می‌توانند برش دهند، محدودیت دارند. این دستگاه‌ها معمولاً به برش‌ ورق‌ها و صفحات با حداکثر ضخامت 25 میلی‌متر محدود می‌شوند. اگرچه امکان برش متریال‌های ضخیم‌تر نیز وجود دارد، اما این مورد در کارگاه‌های ساخت و تولید رایج نیست.
3. بخارات خطرناک: هنگام برش برخی مواد مانند چوب یا پلاستیک، بخارات احتراقی خطرناکی تولید می‌شود که باید حتماً تخلیه شوند.
4. هزینه بالای تعمیر و نگهداری: در برخی از فناوری‌های لیزری (مانند CO2)، تیوب لیزر به عنوان یک قطعه مصرفی در نظر گرفته می‌شود که باید با هزینه‌ بالایی تعویض گردد.
5. هزینه اولیه بالا: سرمایه‌گذاری اولیه برای تهیه دستگاه‌های برش لیزری، بالا است. در برخی موارد، فناوری‌های ارزان‌تری مانند برش شعله (flame cutting) یا برش پلاسما ممکن است مناسب‌تر باشند.

اینجا ترجمه دقیق و روان متن مورد نظر به همراه حفظ کامل ساختار متن اصلی و رعایت دقیق نکات دستور زبان فارسی و املای صحیح کلمات تقدیم می‌شود:

مواد رایج در برش لیزری

دستگاه‌های برش لیزری قابلیت برش طیف وسیعی از مواد را دارند. در زیر برخی از رایج‌ترین این مواد لیست شده‌اند:

آکریلیک (PMMA)

برش آکریلیک لبه‌ای صاف و یکدست ایجاد می‌کند، اما به دلیل بخارات قابل اشتعال تولید شده، استفاده از یک سیستم تهویه ضروری است. فشار گاز باید طوری تنظیم شود که بخارات را از بین ببرد و همزمان لبه برش را برای استحکام خنک کند. فشار هوای بیش از اندازه باعث تاب برداشتن لبه برش در حین مذاب بودن خواهد شد. آکریلیک با نام تجاری Perspex® یا نام شیمیایی آن پلی متیل متاکریلات نیز شناخته می‌شود.

فولاد کربنی / فولاد نرم(Carbon Steel/Mild Steel)

فولاد کربنی اصطلاحی است که برای توصیف طیف وسیعی از فولادها با مقادیر متفاوتی از کربن به عنوان عنصر آلیاژی اصلی آنها استفاده می شود. فولاد نرم نیز نوع دیگری از فولاد کربنی با درصد کربن کمتر از 0.3 درصد است. هر چه درصد کربن بیشتر باشد، فولاد قوی‌تر خواهد بود. لیزرهای با توان بالا می‌توانند صفحاتی با ضخامت 20 تا 25 میلی‌متر را برش دهند.

فولاد ضد زنگ(Stainless Steel)

فولاد ضدزنگ به عنوان آلیاژ فولادی طبقه‌بندی می‌شود که حاوی کروم و/یا نیکل به عنوان عناصر آلیاژی اصلی است. فولادهای ضد زنگ در برابر طیف وسیعی از مواد شیمیایی مقاوم هستند و به راحتی با تمام فناوری های برش لیزری بریده می‌شوند. با این حال، لیزرهای فیبری برای برش فولاد ضد زنگ مناسب‌تر هستند.

آلومینیوم(Aluminum)

آلومینیوم یک اصطلاح کلی است که برای توصیف طیف وسیعی از آلیاژهای آلومینیوم با عناصر آلیاژی و کاربردهای مختلف به کار می‌رود. آلومینیوم دارای نسبت استحکام به وزن خوبی است و به همین دلیل اغلب در کاربردهای هوافضا استفاده می‌شود. آلومینیوم هنگام ذوب شدن یک ماده بازتابنده نور است و این امر برش آن را نسبتاً دشوار می‌کند. در حالی که برش آلومینیوم با لیزر CO2 امکان پذیر است، بهتر است از لیزر فیبری برای برش آلومینیوم استفاده شود.

برنج(Brass)

برنج آلیاژی از مس و روی با برخی عناصر آلیاژی ثانویه است. برنج در برابر خوردگی مقاوم است، از رسانایی الکتریکی برخوردار بوده و اصطکاک پایینی دارد. کاربردهای آن شامل بوش‌های با اصطکاک کم و کاربردهای الکتریکی است.

برش لیزری برنج به دلیل انعطاف‌پذیری و ظاهر زیبا، کاربردهای فراوانی در صنایع مختلف دارد. از جمله مزایای این روش می‌توان به دقت بالا، سرعت بالا، لبه‌های صاف، حداقل ضایعات و قابلیت برش طرح‌های پیچیده اشاره کرد. لیزرها می‌توانند هر طرحی را، چه ساده و چه پیچیده، روی برنج با ضخامت‌های مختلف برش دهند. برای برش لیزری برنج از لیزرهای Nd:YAG، CO2 و فیبری استفاده می‌شود و نوع گاز و فشار آن در کیفیت برش تاثیرگذار است. برای جلوگیری از اکسیداسیون لبه‌های برش، می‌توان از گازهای خنثی مانند نیتروژن یا آرگون استفاده کرد.

چوب(Wood)

چوب به راحتی با لیزرهای CO2 نسبتاً کم مصرف (150-800 وات) برش داده می‌شود. هنگام برش لیزری چوب، دود تولید می‌شود که استفاده از سیستم تهویه را ضروری می‌کند. چوب‌های طبیعی دارای ساختار دانه‌ای هستند که می‌تواند هنگام حکاکی یا برش به پرداخت‌های ناهماهنگ منجر شود. هم چوب‌های سخت و هم نرم را می‌توان با لیزر برش داد.

هاردبورد(Hardboard)

هاردبورد شبیه به تخته فیبر با چگالی متوسط ​​(MDF) است؛ اما متراکم‌تر از آن بوده واین امر انتخابی قوی‌تر و مستحکم‌تر است. الیاف چوب با یک چسب به هم متصل می‌شوند که در حین برش، بخار شده و دود خطرناکی را آزاد می‌کند که نیاز به استفاده از سیستم تهویه را الزامی می‌سازد. هاردبورد همگن است، به این معنی که برش و حکاکی در آن یکنواخت و منظم خواهد بود.

چوب پنبه(Cork)

چوب‌پنبه ماده‌ای چوبی و نرم است که از پوست درخت بلوط چوب‌پنبه‌ای به دست می‌آید و اغلب به عنوان کفی کفش، پایه لیوان ضد لغزش و تابلو اعلانات استفاده می‌شود. چوب پنبه را می‌توان به راحتی با لیزر برش داد و حکاکی کرد.

چرم(Leather)

چرم یک ماده طبیعی مقاوم و مستحکم است که برای کفش، کمربند و کیف استفاده می‌شود. چرم به راحتی برش لیزری و حکاکی می‌شود و همچنین به ویژه زمانی که برای ایجاد اقلام شخصی‌سازی‌شده برش لیزری به کار می‌رود، ارزش درک شده بالایی دارد. نسخه‌های مصنوعی چرم به نام چرم مصنوعی نیز وجود دارد که ممکن است حاوی PVC باشند که بخارات خورنده‌ای هنگام برش لیزری تولید می‌کند.

نمد(Felt)

نمد یک پارچه غیر بافته و ارزان است که برش دستی آن دشوار است؛ اما به آسانی با دستگاه برش لیزری بریده می‌شود. نمد می‌تواند برای پوشاک، تکه‌های تزئینی و زیربشقابی استفاده شود. توصیه می‌شود از نمد پشمی 95 تا 100 درصد استفاده شود؛ زیرا نمدهای مصنوعی اغلب از جنس اکریلیک و برش بسیار سختی دارند.

موادی که نباید با برش لیزری بریده شوند

همانطور که می‌دانید، همه مواد را نمی‌توان با برش لیزری برش داد و حتی برخی از مواد هنگام برش، گازهای مضری تولید می‌کنند. در زیر لیست برخی از موادی که نباید با برش لیزری بریده شوند، آورده شده است:

1. فایبرگلاس لمینت (Laminated Fiberglass): الیاف شیشه و اپوکسی موجود در این نوع فایبرگلاس به خوبی برش نمی‌خورند و به همین دلیل برش این ماده با لیزر توصیه نمی‌شود.
2. پلی اتیلن با چگالی بالا (HDPE): HDPE به جای بخار شدن، ذوب می‌شود و به همین دلیل برای برش لیزری مناسب نیست.
3. فوم پلی استایرن و پلی پروپیلن(Polystyrene and Polypropylene Foam): این نوع فوم‌ها هنگام برش لیزری به راحتی آتش می‌گیرند.
4. ABS (آکریلونیتریل بوتادین استایرن): ABS به جای بخار شدن ذوب می‌شود و همچنین در حین برش، گاز سیانید سمی تولید می‌کند.
5. PVC (پلی وینیل کلرید): PVC هنگام برش با لیزر، گاز کلر تولید می‌کند که باعث آسیب خوردگی اپتیک و تجهیزات برش لیزری می‌شود.
6. پلی کربنات (PC): ورق‌های پلی کربنات ضخیم‌تر از 1 میلی‌متر هنگام برش لیزری به راحتی آتش می‌گیرند و همچنین تغییر رنگ می‌دهند.

خطرات برش لیزری

دستگاه‌های برش لیزری مانند اکثر ماشین‌آلات صنعتی، خطراتی دارند که در زیر به برخی از آنها اشاره می‌شود:

1. سوختگی: برش لیزری برخی مواد (مانند چوب) در صورت عدم انجام صحیح می‌تواند منجر به سوختگی شود.
2. گاز سمی: برخی مواد هنگام برش، بخارات سمی یا خورنده آزاد می‌کنند.
3. آسیب چشمی: هنگام برش مواد بسیار انعکاسی، این امکان وجود دارد که پرتو لیزر به چشم منعکس شود که می‌تواند باعث آسیب شدید چشمی گردد.
4. لبه‌های تیز: دستگاه برش لیزری ممکن است لبه‌های تیز ایجاد کند. این لبه‌ها در صورت عدم پلیسه‌گیری یا جابجایی نادرست، می‌توانند باعث بریدگی‌های شدید شوند.

نکات مهم

1. استفاده از سیستم تهویه‌ی مناسب هنگام برش لیزری، به‌ویژه برای موادی که بخارات سمی یا خطرناک تولید می‌کنند، ضروری است.
2. هنگام کار با لیزر حتما از عینک ایمنی مناسب استفاده کنید.
3. استفاده از دستکش ایمنی و جابجایی محتاطانه قطعات پس از برش، خطر بریدگی را کاهش می‌دهد.

تاثیر زیست محیطی برش لیزری

برش لیزری یکی از فناوری‌های تولید دوستدار محیط زیست است. برخی از دلایل کلیدی این موضوع در زیر فهرست شده‌اند:

1. پاکیزگی: برش لیزری به طور کلی فرآیندی بسیار پاکیزه است و از مایعات برش یا سایر مواد شیمیایی استفاده نمی‌کند.
2. مصرف کم انرژی: برخی از فناوری‌های برش لیزری مانند لیزرهای فیبری، بسیار کم‌مصرف هستند.
3. نگهداری کم: برش لیزری به نگهداری بسیار کمی نیاز دارد و به همین دلیل، دستگاه‌های بادوامی هستند. در نتیجه، این فناوری ضایعات کمتری تولید می‌کند.

تنظیمات برش لیزری چه هستند؟

تنظیمات برش لیزری تا حد زیادی به عوامل متعددی بستگی دارند. از جمله می‌توان به: نوع دستگاه، نوع متریال مورد برش و قدرت لیزر اشاره کرد. با این حال، برخی از تنظیمات را می‌توان تعمیم داد که در ادامه ذکر شده‌اند:

1. فاصله کانونی: به نقطه‌ای اطلاق می‌شود که لیزر روی آن متمرکز می‌شود. این نقطه می‌تواند روی سطح و یا داخل متریال باشد. یک نقطه کانونی سطحی برای حکاکی (engraving) ایده‌آل است، در حالی که یک نقطه کانونی زیر سطحی برای برش مناسب است.
2. سرعت: سرعتی که لیزر در حین برش با آن حرکت می‌کند، می‌تواند بر صافی لبه برش تأثیر بگذارد. سرعت نامناسب ممکن است باعث تخریب و دفرمه شدن لبه برش شود.
3. فرکانس: به تعداد پالس‌های لیزری در هر ثانیه اشاره دارد. مواد مختلف به فرکانس‌های متفاوتی به طور بهینه پاسخ می‌دهند.

نکات مهم

• نوع لیزر، متریال و ضخامت آن عواملی کلیدی هستند که بر تنظیمات برش لیزری اثرگذارند.
• قبل از استفاده از دستگاه برش لیزری، دفترچه راهنمای آن را به دقت مطالعه کنید.
• در صورت تازه‌کار بودن، بهتر است برش‌های آزمایشی روی مواد ارزان‌قیمت داشته باشید تا مهارت کافی و درک بهتری از تنظیمات برش پیدا کنید.

چه زمانی از برش لیزری استفاده کنیم؟

برش لیزری زمانی انتخاب مناسب و ایده‌آلی است که نیاز به برش اشکال پیچیده دو بعدی در مواد نسبتاً نازک باشد.علاوه بر این، در صورت تنظیم قدرت لیزر بر روی شدت مناسب، می‌توان از لیزر برای حکاکی روی مواد مختلف نیز استفاده کرد.

آیا برش لیزری برای ورق‌های نازک کارآمدتر است؟

بله، برش لیزری برای ورق‌های نازک کارآمدتر است. در واقع، اگر مواد نازک باشند، برش لیزری می‌تواند بسیار سریع‌تر و با کیفیت برش بالاتری انجام شود.

آیا برش لیزری از سایر روش‌های برش مضرتر است؟

خیر، برش لیزری از سایر روش‌های برش مضرتر نیست. به طور کلی، برش لیزری از نظر انرژی کارآمد، سازگار با محیط زیست است و فقط در صورت استفاده نادرست، برای اپراتورها خطرناک است.

جایگزین‌های برش لیزری

برش لیزری یک فناوری تولیدی همه کاره است؛ با این حال، در برخی کاربردهای خاص، گزینه‌های دیگری موجود هستند که مناسب‌ترند. در زیر این جایگزین ها فهرست شده‌اند:

برش لیزری در مقابل سورخ کاری لیزری

سوراخ کاری لیزری تکنیکی‌ است که برای ایجاد سوراخ‌های کوچک و دقیق با استفاده از پرتوی لیزرِ پالس‌دار (ضربان‌دار) مورد استفاده قرار می‌گیرد. در مقابل، برش لیزری برای بریدن طرح‌های دوبعدی از یک ورق یا صفحه استفاده می‌شود. هرچند که هر دو فرآیند از پایه فناوری لیزر مشابهی استفاده می‌کنند، اما کاربردهای متفاوتی دارند.

برش لیزری در مقابل برش پلاسما

در برش پلاسما، قوسی از پلاسما ایجاد می‌شود که از میان ماده عبور کرده و آن را ذوب می‌کند. دستگاه‌های برش پلاسما در ابتدا ارزان‌قیمت‌تر از دستگاه‌های برش لیزری هستند. اما به دلیل هزینه‌های عملیاتی بالاتر، در طولانی مدت ممکن است پرهزینه‌تر از آب درآیند. علاوه بر این، برش پلاسما فقط برای فلزات مناسب است و به اندازه برش لیزری دقیق نیست.

برش لیزری در مقابل حکاکی

حکاکی با استفاده از یک ابزار انجام می‌شود و طی آن طرح روی سطح متریال حک می‌گردد. در مقابل، در برش لیزری از لیزر برای ذوب یا سوزاندن سطح ماده استفاده می‌شود تا پرداخت و ظاهری شبیه به حکاکی ایجاد گردد. دستگاه‌های برش لیزری بسیار سریع‌تر هستند و از ابزاری که ممکن است در طول زمان فرسوده شود (مانند آنچه در دستگاه‌های CNC حکاکی استفاده می‌شود) بهره نمی‌برند.

برش لیزری در مقابل ماشین‌کاری CNC

برش لیزری بیشتر برای طرح‌های دوبعدی مناسب است، درحالی که ماشین‌کاری CNC می‌تواند برای قطعات دوبعدی یا سه‌بعدی استفاده شود. اما وقتی صحبت از ورق‌ها و صفحات می‌شود، برش لیزری بسیار سریع‌تر و ارزان‌تر است. همچنین، دستگاه‌های برش لیزری نیز نوعی از ماشین‌های CNC هستند.

برش لیزری در مقابل برش واترجت

برش واترجت با هدایت یک جریان آب بسیار پرفشار حاوی مواد ساینده مانند گارنت کار می‌کند که ماده را فرسایش می‌دهد. برش لیزری هم می‌تواند برای حکاکی استفاده شود، اما فناوری واترجت فقط به برش محدود است. برش واترجت باعث بخار شدن ماده نمی‌شود، بنابراین می‌توان از آن برای برش موادی که برای برش لیزری توصیه نمی‌شوند – مانند PVC – استفاده کرد. علاوه بر این، ماشین‌های برش واترجت می‌توانند موادی با ضخامت بالاتر از امکان برش لیزری را برش دهند.

خلاصه

برش لیزری یک فرآیند برش بسیار قدرتمند و انعطاف پذیر است که می تواند برای برش مواد مختلف با دقت و کیفیت بالا استفاده شود. این فرآیند مزایای زیادی دارد، از جمله سرعت برش بالا، لبه برش صاف و تمیز، و عدم نیاز به عملیات تکمیلی.این مقاله برای اولین بار در سایت بازارگاه الکترونیکی ساخت و تولید ایران به نشانی digimfg.ir منتشر شده است.

منابع

xometry.com/resources/sheet/what-is-laser-cutting

سلب مسئولیت

محتوای ارائه شده در این صفحه وب صرفا جنبه اطلاع رسانی دارد. DIGIMFG هیچگونه ضمانت یا مسئولیتی، چه به صورت صریح یا ضمنی، در خصوص صحت، کامل بودن یا اعتبار اطلاعات بر عهده نمی گیرد. پارامترهای عملکرد، تلرانس های هندسی، ویژگی‌های طراحی خاص، کیفیت یا نوع مواد، یا فرایندها را نباید نمایانگر آنچه توسط تأمین کنندگان یا تولیدکنندگان شخص ثالث در شبکه DIGIMFG ارائه می‌شود، دانست. خریدارانی که به دنبال دریافت قیمت هستند موظفند تا الزامات فنی ویژه موردنیاز برای قطعات را تعریف کنند. برای کسب اطلاعات بیشتر، لطفاً به شرایط و ضوابط ما مراجعه کنید.