اصول طراحی برش لیزری: منطق هم افزایی انرژی، مسیر نوری و فرآیند

اصل طراحی برش لیزری یک چارچوب فرآیندی سیستماتیک است که بر اساس تلاقی اپتیک، ترمودینامیک و علم مواد ساخته شده است. هسته اصلی آن حذف دقیق و شکل دادن به مواد از طریق تعامل پرتو لیزر با چگالی بالا-قابل کنترل با مواد است. اجرای این اصل مستلزم در نظر گرفتن سه بعد است: تولید و انتقال لیزر، مکانیسم های تعامل انرژی و تطبیق پارامترهای فرآیند، تشکیل یک زنجیره منطقی کامل از "منبع انرژی" تا "نتیجه پردازش".

تولید لیزر نقطه شروع طراحی است. در کاربردهای صنعتی کنونی، لیزرهای فیبر، لیزرهای CO2، و لیزرهای حالت جامد به دلیل تفاوت در رسانه بهره و روش‌های تحریک، ویژگی‌های پرتو متفاوتی از خود نشان می‌دهند: لیزرهای فیبری از فیبرهای نوری نادر -زمینی-به‌عنوان واسطه بهره‌وری استفاده می‌کنند و به ضریب الکتریسیته بالا ({4}%) بالا می‌رسند. پمپاژ نیمه هادی، خروجی پرتوهای پیوسته یا پالسی در باند مادون قرمز نزدیک{{6} (تقریباً 1070 نانومتر)، با مزایایی مانند کیفیت پرتو عالی (M² نزدیک به 1)، ساختار فشرده، و کارکرد رایگان-. لیزرهای CO2 از مخلوط گاز CO2 به عنوان واسطه استفاده می‌کنند و یک باند مادون قرمز دور (10.6 میکرومتر) را از طریق تحریک تخلیه ایجاد می‌کنند، اگرچه راندمان نوری الکترو{12} نسبتاً کم است (تقریباً 10%)، اما نرخ جذب برای مواد غیر فلزی و ضخیم‌تر است.{14} لیزرهای حالت جامد (مانند Nd:YAG) از کریستال‌ها به‌عنوان واسطه بهره‌گیری استفاده می‌کنند و می‌توانند لیزرهای پالس کوتاه{{16} یا فوق‌کوتاه{17}}، مناسب برای سناریوهای ماشین‌کاری میکرو{18}} تولید کنند. انتخاب لیزر باید بر اساس در نظر گرفتن جامع ویژگی های جذب ماده برای طول موج باشد (مثلاً مس و آلومینیوم دارای بازتابی بالا تا لیزرهای CO2 10.6μm هستند که آنها را برای لیزرهای فیبر مناسب تر می کند)، ضخامت پردازش مورد نیاز و دقت. این تجسم اصلی اصل "انطباق پذیری منبع انرژی" در طراحی است.

انتقال لیزر و فوکوس برای تحویل دقیق انرژی بسیار مهم است. پرتو خروجی از حفره رزونانس لیزر باید از طریق عناصر نوری مانند آینه های همسو و آینه های بازتابی به سر پردازش منتقل شود. سپس، یک آینه متمرکز (معمولاً یک عدسی محدب) پرتو واگرا را به نقطه ای با قطر ده ها تا صدها میکرومتر همگرا می کند. رابطه بین قطر لکه (d)، فاصله کانونی (f) و قطر پرتو فرودی (D) از فرمول تصویربرداری لنز پیروی می کند (d≈f·θ، که در آن θ زاویه واگرایی پرتو است)، که به طور مستقیم چگالی انرژی را تعیین می کند (E=P/(πd²/4)، جایی که P قدرت لیزر است) برش با دقت بالا- طراحی مستلزم انتخاب فاصله کانونی بر اساس منطقه پردازش و الزامات دقت است (فاصله کانونی کوتاه منجر به یک نقطه فوکوس کوچک اما عمق فوکوس کم می شود که برای برش دقیق صفحات نازک مناسب است؛ فواصل کانونی بلند دارای عمق فوکوس زیادی است که برای پردازش پایدار صفحات ضخیم مناسب است). فناوری فوکوس پویا (مانند تنظیم خودکار موقعیت نقطه کانونی در امتداد محور Z-سر پردازش برای دنبال کردن موج‌های سطحی صفحه) برای جبران کاهش انرژی ناشی از ناهمواری در صفحه استفاده می‌شود و از یکنواختی انرژی در ناحیه عمل اطمینان حاصل می‌کند.

مکانیسم تعامل بین انرژی و مواد، ماهیت فیزیکی فرآیند برش را تعیین می کند. هنگامی که یک پرتو لیزر به سطح ماده تابش می کند، انرژی جذب شده و به گرما تبدیل می شود و باعث می شود دمای محلی به سرعت به نقطه ذوب یا حتی نقطه جوش افزایش یابد (نقطه ذوب اکثر مواد فلزی بالای 1000 درجه است و نقطه جوش می تواند به 3000 درجه برسد). برای مواد با رسانایی حرارتی کم (مانند فولاد ضد زنگ)، گرما در ناحیه نقطه متمرکز می شود و ذوب سریع را امکان پذیر می کند. برای مواد بسیار بازتابنده (مانند آلومینیوم و مس)، لازم است قدرت لیزر را افزایش دهید یا از حالت پالسی (با شکستن آستانه بازتاب با حداکثر توان) برای افزایش جذب انرژی استفاده کنید. فلز مذاب توسط یک گاز کمکی (اکسیژن، نیتروژن، یا هوای فشرده) از روی لبه جدا می شود: اکسیژن به صورت گرمازا با آهن واکنش می دهد (اکسیداسیون)، انرژی برش اضافی را فراهم می کند، مناسب برای برش با سرعت بالا موادی که به راحتی اکسید می شوند مانند فولاد کربنی. نیتروژن، به عنوان یک گاز بی اثر، تنها با استفاده از انرژی جنبشی، سرباره را حذف می کند، از اکسیداسیون جلوگیری می کند و منجر به برش با کیفیت بالا و تغییر رنگ می شود، مناسب برای کاربردهایی که نیاز به کیفیت سطح بالایی دارند، مانند فولاد ضد زنگ و آلیاژهای آلومینیوم. این طرح باید با نوع و فشار گاز کمکی بر اساس رسانایی حرارتی ماده، ظرفیت گرمایی ویژه و ویژگی‌های اکسیداسیون مطابقت داشته باشد-فشار بسیار کم منجر به باقی‌مانده سرباره می‌شود، در حالی که فشار بیش از حد ممکن است منجر به ضایعات بسیار گسترده یا از دست دادن مواد شود. شبیه‌سازی‌های عددی (مانند تحلیل دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) میدان جریان گاز) برای بهینه‌سازی ساختار نازل و جهت جریان هوا برای اطمینان از حذف کارآمد سرباره بدون تداخل با مسیر نوری مورد نیاز است.

طراحی هماهنگ پارامترهای فرآیند، هسته اصلی دستیابی به برش پایدار است. توان لیزر (P)، سرعت برش (v)، فرکانس پالس (f) و چرخه کار (η) باید مطابقت داشته باشند: توان کل انرژی ورودی را در واحد زمان تعیین می‌کند، سرعت بر مدت زمان انرژی تأثیر می‌گذارد (انرژی در واحد طول=E/v)، و هر دو با هم تعیین می‌کنند که آیا مواد کاملا ذوب/تبخیر شده‌اند یا خیر. در حالت پالسی، فرکانس و چرخه کار، انرژی تک- پالس (E_pulse=P × η/f) و فاصله پالس را کنترل می‌کنند تا از انباشت گرما ناشی از گرمایش مداوم جلوگیری شود (مثلاً در برش صفحه ضخیم، فرکانس پایین و چرخه کار بالا می‌توانند عرض منطقه تحت تأثیر گرما را کاهش دهند). این طرح باید از الگوریتم‌های طراحی آزمایشی متعامد یا یادگیری ماشین برای ایجاد پایگاه داده «ضخامت{11}}ماده» استفاده کند. به عنوان مثال، برای فولاد زنگ نزن 304 با ضخامت 3 میلی‌متر، بهینه‌سازی ترکیب پارامترها با توان 1200 وات، سرعت 2 متر در دقیقه و فشار نیتروژن 0.8 مگاپاسکال می‌تواند به برش با کیفیت بالا با زبری مقطعی Ra کمتر یا مساوی 12.5 میکرومتر دست یابد.

به طور خلاصه، اصل طراحی برش لیزری یک هم افزایی چند بعدی-از «ویژگی های منبع انرژی، انتقال مسیر نوری، تعامل مواد و تطبیق پارامترها» است. اساساً، "انرژی نور" انتزاعی را از طریق کنترل دقیق خواص فیزیکی لیزر و رفتار مواد، به "نیروی پردازش" قابل کنترل تبدیل می‌کند، و در نهایت به شکل‌دهی کارآمد و دقیق- خطوط پیچیده دست می‌یابد. تکامل مداوم این اصل (مانند پالس‌های فمتوثانیه/پیکوثانیه در لیزرهای فوق سریع برای سرکوب انتشار حرارت و بهینه‌سازی پارامترهای زمان واقعی با استفاده از الگوریتم‌های هوشمند) دائماً مرزهای کاربرد برش لیزر را گسترش می‌دهد و آن را به یک فناوری هسته‌ای ضروری برای پیشرفت انسان تبدیل می‌کند.