ماشین های پردازش لیزری | Laser processing machines
ماشین های پردازش لیزری رایج ترین کاربرد سیستم لیزر است. فن آوریهای اصلی عبارتند از جوشکاری لیزری، برش لیزری، اصلاح سطح، علامت گذاری لیزری، حفاری لیزری، میکرو ماشین کاری و رسوب فتوشیمیایی، لیتوگرافی استریو و اچینگ لیزری.
برای تغییر صنعت تولید سنتی یکی از فناوریهای کلیدی با تجهیزات پردازش لیزری است. محصولات اصلی شامل انواع دستگاه های لیزر مارک، دستگاه های برش، دستگاههای جوش، دستگاه های تاس، دستگاههای عملیات حرارتی، دستگاههای حکاکی، دستگاههای قالب گیری سه بعدی و ....
پیشرفت در فناوری پردازش لیزری: کاربردها و پیشرفت ها
پردازش لیزری شامل استفاده از پرتو لیزر برای تغییر سطح یک ماده از طریق اثرات حرارتی، از جمله جوشکاری لیزری، برش لیزری، اصلاح سطح، علامت گذاری لیزری، حفاری لیزری و ریزپردازش است.
پرتو لیزر را میتوان برای انجام کارهای مختلفی مانند پانچ، برش، خط زدن، جوشکاری و عملیات حرارتی بر روی مواد مختلف کاربرد دارند.
لیزر توانایی پردازش هر مادهای را دارد و در پردازش و ساخت دقیق و تخصصی به ویژه در شرایط خاص و با مواد خاص نقشی بی بدیل دارد.
I. اصل و ویژگی های یک پردازش لیزری
اصل پردازش لیزری
پردازش لیزری شامل استفاده از پرتو لیزر برای تغییر سطح قطعه کار از طریق تابش انرژی بالا است. این منجر به حذف مواد، ذوب یا اصلاح خواص سطح میشود.
این فرآیند غیر تماسی است، به این معنی که ابزار با سنگ زنی در برابر سطح قطعه کار مقاومت ایجاد نمیکند، و آن را به یک روش سریع و کارآمد تبدیل میکند.
علاوه بر این، انرژی و سرعت پرتو لیزر را میتوان تنظیم کرد که امکان کاربردهای همه کاره را در سطوح و محدوده های مختلف فراهم میکند.
ویژگی های ماشین های پردازش لیزری
ویژگی های منحصر به فرد پردازش لیزری مزایای آن را در زمینه پردازش مشخص میکند:
- از آنجایی که پردازش غیر تماسی است و انرژی پرتو لیزر پرانرژی و سرعت حرکت آن قابل تنظیم است، میتوان از آن برای اهداف مختلف پردازش استفاده کرد.
میتواند انواع مواد فلزی و غیر فلزی را پردازش کند، به ویژه آنهایی که سختی، شکنندگی و نقطه ذوب بالا دارند.
پردازش لیزری باعث سایش "ابزار" نمیشود و نیروهای برشی روی قطعه کار ایجاد نمیکند.
چگالی انرژی پرتو لیزر در طول پردازش بسیار بالا است، و آن را سریع و بسیار موضعی میکند، با حداقل تأثیر بر مناطقی که در معرض تابش لیزر نیستند. این منجر به ایجاد یک منطقه کوچک متاثر از حرارت، حداقل تغییر شکل حرارتی قطعه کار و کاهش نیاز به پردازش بعدی میشود.
میتوان از آن برای پردازش در یک ظرف مهر و موم شده از طریق یک محیط شفاف به قطعه کار استفاده کرد.
هدایت و فوکوس پرتو لیزر آسان است و امکان تغییر جهت را فراهم میکند و کار با سیستم های CNC را برای پردازش قطعات پیچیده آسان میکند.
- پردازش لیزری بسیار کارآمد است، کیفیت قابل اعتماد تولید میکند و بازده اقتصادی خوبی دارد.
مثلا
- شرکت جنرال الکتریک ایالات متحده از پردازش لیزر اسلب برای برش شکاف های شکل موتور هواپیما استفاده میکند و این کار را با کیفیت بالا در کمتر از 4 ساعت تکمیل میکند، در حالی که روش اصلی پردازش EDM بیش از 9 ساعت طول کشید. این به تنهایی 50000 دلار در هزینه هر موتور صرفه جویی میکند.
راندمان برش فولاد با لیزر میتواند 8-20 برابر افزایش یابد که منجر به کاهش 15-30٪ در هزینه های مواد میشود. این منجر به صرفه جویی قابل توجهی در هزینه میشود، در حالی که ماشینکاری با دقت بالا را فراهم میکند و کیفیت محصول پایدار و قابل اطمینان را تضمین میکند.
در حالی که پردازش لیزر دارای مزایای بسیاری است، محدودیت های آن نیز آشکار است.
فناوری لیزر
پردازش لیزری شامل استفاده از پرتو لیزر برای انجام فرآیندهای مختلف مانند پانچ، برش، خط زدن، جوشکاری و عملیات حرارتی است.
ماشین های پردازش لیزری مزایای زیادی دارد:
① چگالی توان لیزری بالا باعث افزایش سریع دما و ذوب یا تبخیر قطعه کار میشود، حتی برای موادی با نقطه ذوب بالا، سختی و شکنندگی بالا (مانند سرامیک ها و الماس ها).
② سر لیزر در تماس مستقیم با قطعه کار قرار نمیگیرد و باعث از بین رفتن موضوع سایش در حین پردازش میشود.
③ قطعه کار عاری از نیرو است و به راحتی آلوده نمیشود.
④ قطعه کار را میتوان در حین حرکت یا داخل یک پوسته شیشهای مهر و موم شده پردازش کرد.
⑤ زاویه واگرایی پرتو لیزر میتواند کمتر از 1 میلیونیم قوس باشد، با قطر نقطهای به کوچکی چند میکرون و زمان عمل از نانوثانیه تا پیکوثانیه.
در همین حال، توان خروجی پیوسته لیزر پرقدرت میتواند به کیلووات تا ده کیلووات برسد، که لیزر را هم برای ریزپردازش دقیق و هم برای پردازش مواد در مقیاس بزرگ مناسب میکند.
⑥ کنترل پرتو لیزر آسان است و میتوان آن را با ماشین آلات دقیق، فناوری اندازه گیری دقیق و رایانه های الکترونیکی برای اتوماسیون و دقت بالا در پردازش جفت کرد.
⑦ ربات ها را میتوان برای پردازش لیزری در محیط های خشن یا در مکان هایی که کار برای انسان دشوار است استفاده کرد.
پانچ لیزری
لیزر پالسی برای حفاری استفاده میشود، با عرض پالس 0.1 تا 1 میلی ثانیه. مخصوصاً برای ایجاد حفرهها و سوراخ های شکل دار با دهانه تقریباً 0.005 تا 1 میلی متر مناسب است.
حفاری لیزری در تولید قطعاتی مانند ساعتها و ساعتها، یاتاقانهای سنگهای قیمتی، قالبهای طراحی الماس و نخهای الیاف شیمیایی مورد استفاده قرار گرفته است.
برش لیزری، خط نویسی و حروف نویسی
صنایع کشتی سازی و خودروسازی اغلب از لیزرهای CO2 مداوم با صدها کیلووات تا میلیون ها وات برای برش قطعات بزرگ استفاده میکنند و از شکل دقیق فضای منحنی اطمینان حاصل میکنند و در عین حال راندمان پردازش بالاتری را نیز ارائه میدهند.
لیزرهای حالت جامد متوسط و کوچک یا لیزرهای CO2 معمولاً برای برش قطعات کوچک استفاده میشود. در میکروالکترونیک معمولاً از لیزر برای برش سیلیکون یا ایجاد شکاف کاربرد دارد که سریع است و قسمت تحت تأثیر آن، حرارت کمی دارد.
لیزر را میتوان برای علامت گذاری قطعه کار یا علامت گذاری روی خط مونتاژ بدون تأثیر بر سرعت خط مونتاژ استفاده کرد و کاراکترهایی که حک کردیم، را میتوان به طور دائم حفظ کرد.
تنظیم دقیق لیزری
استفاده از لیزرهای با توان متوسط و کم برای حذف بخشهایی از اجزای الکترونیکی روی مواد برای تغییر پارامترهای الکتریکی مانند مقاومت، ظرفیت خازنی و فرکانس تشدید کاربرد دارد.
تنظیم دقیق لیزر از دقت، سرعت بالایی برخوردار است و برای تولید در مقیاس بزرگ مناسب است.
از اصول مشابهی میتوان برای تعمیر ماسک های مدار مجتمع معیوب، بهبود عملکرد حافظه مدار مجتمع و انجام تنظیمات دقیق تعادل دینامیکی روی ژیروسکوپ استفاده کرد.
جوشکاری لیزر
جوشکاری لیزری با استحکام بالا، حداقل تغییر شکل حرارتی، آب بندی موثر، اندازه و ماهیت جوش ثابت و توانایی جوشکاری مواد با نقطه ذوب بالا (مانند سرامیک ها) و مواردی که مستعد اکسید شدن هستند مشخص میشود.
بطوری که جوشکاری لیزری به ویژه برای پیس میکرهایی که به طور موثر مهر و موم میشوند و طول عمر بالایی دارند و همچنین اندازه کوچکی دارند مفید است.
عملیات حرارتی لیزری
با تابش لیزر مواد، طول موج مناسب، کنترل زمان تابش و چگالی توان را میتوان انتخاب کرد تا باعث ذوب شدن و تبلور مجدد سطح ماده شود و به هدف خاموش کردن یا بازپخت دست یابد.
عملیات حرارتی لیزری این مزیت را دارد که میتواند عمق عملیات حرارتی را دقیقاً کنترل کند و ناحیه خاصی را که قرار است تحت درمان قرار گیرد انتخاب کند.
تغییر شکل قطعه کار حداقل است و میتواند به طور موثر اشکال پیچیده و پیچیده را مدیریت کند و همچنین سوراخ های کور و عمیق در دیوارهای داخلی را پردازش کند.
به عنوان مثال، عملیات حرارتی لیزری میتواند عمر پیستون سیلندر را افزایش دهد و آسیب های ناشی از بمباران یونی در مواد سیلیکونی را بازگرداند.
رفتار را تقویت کنید
فناوری تقویت سطح لیزر از یک پرتو لیزر با چگالی بالا برای گرم کردن و خنک شدن سریع قطعه کار استفاده میکند.
در تقویت لیزر سطح فلز، زمانی که چگالی انرژی پرتو لیزر کم است، میتوان از آن برای تبدیل سطح فلز استفاده کرد.
در چگالی پرتو بالا، سطح قطعه کار مشابه یک بوته متحرک عمل میکند و طیف وسیعی از فرآیندهای متالورژیکی مانند ذوب مجدد سطح، کربناته کردن سطح، آلیاژسازی سطح و روکشکاری سطح را ممکن میسازد.
این توابع پتانسیل این را دارند که از طریق فناوری جایگزینی مواد، مزایای اقتصادی قابل توجهی برای صنعت تولید به ارمغان بیاورند.
در اصلاح مواد ابزار، عملیات ذوب کاربرد اصلی است. این شامل ذوب شدن سطح مواد فلزی تحت تابش پرتو لیزر، سپس انجماد سریع برای تشکیل یک لایه سطحی جدید است.
تغییرات سطح مواد را میتوان به انواع مختلفی از جمله آلیاژی، حل شوندگی، تصفیه مجدد ذوب، لعاب و کامپوزیت سطح طبقه بندی کرد.
همجوشی لیزری شامل استفاده از پارامترهای لیزر برای ذوب و متراکم شدن سریع سطح مواد است که منجر به سازماندهی تصفیه شده و همگن با خواص سطحی بهبود یافته میشود. این یک فناوری اصلاح سطح است.
مزایای ذوب سطحی لیزر عبارتند از:
ذوب سطحی معمولاً هیچ عنصر فلزی را اضافه نمیکند. بگونهای که یک پیوند متالورژیکی با لایه ذوب شده و ماتریس مواد تشکیل میدهد.
در طی فرآیند ذوب لیزر، ناخالصیها و گازها را میتوان حذف کرد. بطوری که منجر به سختی بالا، مقاومت سایشی و مقاومت در برابر خوردگی حاصل از طریق خاموش کردن و تبلور مجدد میشود.
لایه ذوب نازک با ناحیه اثر حرارتی کوچک است و زبری سطح و اندازه قطعه کار کمترین تأثیر را دارد. در برخی موارد، نیازی به پرداخت اضافی نیست و میتوان از قطعه کار به طور مستقیم استفاده کرد.
حد حلالیت اتم های املاح در زمینه، دانهها و ذرات بسیار ریز بهبود مییابد. تا امکان تشکیل یک فاز متمایل به پایدار و ساختار تک بلوری بدون انتشار یا حتی آمورف را فراهم میکند. بصورتی که منجر به عملکرد عالی در آلیاژ جدید میشود که نمیتوان از طریق آن به دست آورد. روش های سنتی
پرتو را میتوان از طریق یک مسیر نوری هدایت کرد که امکان پردازش قطعات با موقعیت های خاص و اشکال پیچیده را فراهم میکند.
با ترکیب مزایای فناوری با محدودیتهای تکنیکهای پرکاربرد، استفاده از فناوری لیزر برای تقویت سطح مواد ابزار، مقاومت در برابر سایش و طول عمر ابزار را افزایش میدهد. به ویژه برای ابزارهای برش سرامیک و کاربید با سختی و مقاومت حرارتی بالا.
میکروساخت
با انتخاب طول موج لیزر مناسب و استفاده از تکنیک های مختلف بهینه سازی و تقریب حد پراش سیستم فوکوس، میتوان یک پرتو نور با کیفیت بالا و پایدار با یک نقطه کانونی در اندازه میکرو به دست آورد.
ویژگی های تیز و دقیق "چاقوی سبک" آن برای حکاکی ریز علائم با چگالی بالا و نوشتن مستقیم اطلاعات با چگالی بالا استفاده میشود.
همچنین میتواند از اثر «نیروی» تله نوری خود برای دستکاری اجسام شفاف ریز، مانند حکاکی با توری با دقت بالا، استفاده کند.
با کمک نرم افزار CAD/CAM برای شبیهسازی و کنترل الگوها یا متن، میتوان به علامت گذاری با وفاداری بالا دست یافت.
علاوه بر این، «نیروی اتصال» تله نوری آن میتواند برای دستکاری سلولهای بیولوژیکی، معروف به موچین سبک بیولوژیکی، استفاده شود.
فرآیند میکروساخت
فرآیند ماشینکاری ظریف
بیشتر برشهای ظریف روی سطح محدب (خارجی) با استفاده از ابزارها یا برشهای الماس تک کریستالی انجام میشود. شعاع نوک آن تقریباً 100 میکرومتر است و تیغه الماس در هنگام چرخش دارای سطح برش مخروطی 45 درجه است.
حداقل اندازه قابل ماشین کاری سطح مقعر (داخلی) با اندازه ابزار محدود میشود.
به عنوان مثال، میتوان از مته پیچشی برای ماشین کاری یک سوراخ 50 میکرومتری استفاده کرد. اما برای سوراخ های کوچکتر، باید از مته تخت کاربرد دارد، زیرا محصولات مته پیچشی در دسترس نیستند.
یک چالش کلیدی در میکروساخت تضمین این است. بصورتی که وضعیت نصب ابزار و همسویی هم محور آن با محور دوک با سیستم مختصات سازگار است. در غیر این صورت، دستیابی به مقدار کمی برش میتواند دشوار باشد.
برای رفع این مشکل، میتوان از یک ماشین ابزار هم برای تولید ابزار و هم برای ریزپردازش استفاده کرد. بنابراین از خطاهای گیره ناشی از استفاده از شرایط کاری متفاوت جلوگیری کرد.
برای تولید شکافی به عرض 50 میکرومتر میتوان از ماشین سنگ زنی تخلیه سیم بر روی ماشین ابزار استفاده کرد.
فناوری پردازش الکتریکی ظریف
ماشینکاری میکرو شفتها و میله های مقطع پروفیلی را میتوان از طریق سنگ زنی تخلیه سیم (WEDG) به دست آورد. مدار تخلیه منحصر به فرد آن اجازه میدهد.
تا تنها 1/100 از EDM معمولی. برای دستیابی به سطح صاف تر، میتوان از WECG پس از پردازش WEDG استفاده کرد. بطوری که یک لایه سطحی نازک را با استفاده از آب دیونیزه شده در جریان کم حذف میکند.
ماشینهای Micro-EDM، مانند MG-ED71 از شرکت صنعتی ماتسوشیتا الکتریک ژاپن، میتوانند برای این فرآیند استفاده شوند.
این ماشینها دارای وضوح کنترل موقعیت 0.1 میکرومتر و کوچکترین دیافراگم پردازشی 5 میکرومتر هستند که در نتیجه زبری سطح 0.1 میکرومتر است.
به عنوان مثال
یک چرخ دنده 9 دندانه از جنس استنلس استیل با قطر 300 میکرومتر و ضخامت 100 میکرومتر قابل تراش است.
کانتور ناهموار ابتدا با یک الکترود φ24 میکرومتر پانچ میشود و سپس کانتور با الکترود φ31 میلیمتر مطابق با مشخصات دندانه اسکن میشود. در نتیجه دقت ± 3 میکرومتر به دست میآید.
این فناوری همچنین میتواند برای پردازش شفت پلهای مینیاتوری با حداقل قطر 30 میکرومتر و بخش کلیدی پردازش شده 10 میکرومتر در 10 میکرومتر استفاده شود.
الکترودهای ماشینکاری قطعات کوچک باید بر روی همان ماشین ابزار ساخته شوند. در غیر این صورت، ممکن است به دلیل اتصال الکترود و خطاهای نصب، پردازش سوراخ هایی با قطر کمتر از 100 میکرومتر مشکل باشد.
به عنوان مثال، الکترودهای ماشین ابزار میکرو EDM یا ابزارهای پردازش اولتراسونیک را میتوان برای پردازش ریز سوراخ های 5 تا 10 میکرومتر استفاده کرد. در مقایسه با ریز ماشینکاری و ماشینکاری ریز، نرخ حذف مواد کم است.
اما اندازه پردازش میتواند کوچکتر باشد.همچنین نسبت قطر سوراخ میتواند در حال پردازش تا 5 به 10 باشد.
III. توسعه پردازش لیزری
پردازش لیزری برای تولید مجدد دارای مزایای ضروری است و از سایر فناوری های پردازش پیشی میگیرد.
این از سخت شدن تغییر فاز به آلیاژ سطحی لیزری، روکش لیزری، پوشش کامپوزیت و پوشش سرامیکی تکامل مییابد و آن را به روشی حیاتی برای تولید مجدد تبدیل میکند.
لیزر پرقدرت 5KW تا 10KW CO2 و سیستم آن بسیار مورد استفاده قرار میگیرد.
در مقایسه با سیستم پردازش لیزر بین المللی، سیستم پردازش لیزری چین تنها 4 درصد از فروش جهانی را به خود اختصاص میدهد. این به دلیل فقدان سیستم های پردازش لیزری پیشرفته و لیزرهای اصلی واجد شرایط، و همچنین شکاف قابل توجه در تجهیزات پردازش لیزری خوب است.
با این وجود، شرکتهای تولید و فرآوری چین در حال تلاش برای بهبود و ورود به این حوزه با پتانسیل بالایی برای رشد در بازار داخلی هستند.
صنایع تولیدی مختلف در چین از فناوری پردازش لیزری استفاده کردهاند که محتوای تکنولوژیکی محصولات آنها را افزایش میدهد و ارتقای محصول را تسریع میبخشد.
ماشین های پردازش لیزری و فیلدهای کاربردی آن
- تولید و تراش مجدد ابزار
- ماشینکاری لیزری همه در یک کل ابزار، از قسمت خالی تا تمام شده
- ماشینکاری تمام اتوماتیک ابزارها امکان پذیر است
- راهحلهای اتوماسیون موجود برای همه هندسههای ابزار (گیره انبساط هیدرولیک، HSK63، ایستگاههای گیره و ...)
پردازش لیزر چگونه عمل میکند؟
استفاده از لیزرهای پالس کوتاه و فوق کوتاه این امکان را فراهم میکند تا مواد را به طور کارآمد اما بسیار آرام پردازش کنید.
پالس های لیزری بسیار کوتاه، همانطور که در LASER LINE ULTRA استفاده میشود، امکان ماشینکاری کاربید را بدون آسیب حرارتی قابل توجه میدهد که به نوبه خود پوشش بعدی ابزار را ممکن میکند.
چه چیزی را میتوان با استفاده از ماشین های پردازش لیزری تولید کرد؟
در اصل، هر نوع هندسه ابزاری را میتوان ساخت: از صفحات تراشکاری و پروفیلینگ تا ابزارهای آبکاری. دستگاههای پردازش لیزر میتوانند ابزارهایی با قطر حداکثر 200 میلی متر و طول تا 250 میلی متر را با وزن ابزار تا 5 کیلوگرم حمل کنند. ابزارهای چرخشی مانند ابزارهای پلهای، ریمر، ابزار حفاری یا فرز نیز میتوانند تولید شوند.
بطور مثال ماشینهای پردازش لیزری EWAG تنها سازندهای است که میتواند ابزارهای مارپیچی ساخته از کاربید و PCD را پردازش کند.
به عنوان مثال، مته های دو لبه کاربید و PCD و آسیاب های چهار لبه را میتوان در پیکربندی پیش فرض در قطرهای بین 0.5 میلی متر تا 3 میلی متر تولید کرد. هیچ دانشی در مورد پردازش لیزر مورد نیاز نیست. کاربر فقط باید هندسه مورد پردازش را تعریف کند.
به منظور پاسخگویی به نیازهای صنعتی شدن با فناوری پیشرفته و تولید کلان و خرد، تحقیق و توسعه لیزرهای با کارایی بالا ضروری است.
در حال حاضر، لیزرهایی با ویژگی هایی مانند اشعه ماوراء بنفش، پالس فوق کوتاه، قدرت فوق العاده بالا و کیفیت پرتو بالا در حال توسعه هستند.
به طور خاص، منابع نور لیزری که الزامات فناوری ساخت میکرو را برآورده میکنند، به منبع رقابت بین المللی تبدیل میشوند.
برای دسترسی به منابع مقاله اینجا کلیک کنید.
امیدوارم از خواند مقاله "ماشین های پردازش لیزری | Laser processing machines" لذت برده باشید.
