Lasersko rezanje s svojimi prednostmi visoke natančnosti in učinkovitosti se široko uporablja pri obdelavi kovinskih in ne-kovinskih materialov. Vendar pa se pri delu z visoko odbojnimi materiali (kot so aluminijeve zlitine, baker, srebro, titanove zlitine in nekatere prevlečene kovine) sooča s številnimi tehničnimi ovirami zaradi edinstvenih optičnih in fizikalnih lastnosti teh materialov. Te ovire ne vplivajo le na kakovost in učinkovitost obdelave, ampak lahko povzročijo tudi nepopravljivo škodo na opremi in postanejo ključno ozko grlo, ki omejuje popularizacijo laserske obdelave za visoko odbojne materiale.
I. Glavna ovira: "odsevna zračnost" laserske energije in izguba nadzora kakovosti obdelave
Glavna značilnost visoko odbojnih materialov je njihova izjemno visoka odbojnost za laser (npr. odbojnost čistega bakra za laser z valovno dolžino 1064 nm presega 90 %, aluminijeve zlitine pa približno 80 %–85 %). Ta lastnost neposredno preprečuje, da bi laserska energija učinkovito delovala na material, kar sproži vrsto težav pri obdelavi.
1. Izjemno nizka stopnja izrabe energije in močan padec učinkovitosti rezanja
Načelo laserskega rezanja temelji na fokusiranju laserskega žarka z visoko-energijo-gostote na površino materiala, da se material takoj stopi, upari ali zlomi. Vendar visoko odsevni materiali odbijajo večino laserske energije, absorbirajo pa jo le malo. Na primer, pri obdelavi 5 mm-debele plošče iz čistega bakra je stopnja absorpcije energije običajnega stroja za lasersko rezanje z vlakni (1064 nm valovna dolžina) manjša od 10 %, zato je potrebno večkratno obsevanje, da prodre skozi material. Posledica tega je učinkovitost rezanja, ki je 3-5-krat nižja kot pri nizkoogljičnem jeklu (s stopnjo absorpcije približno 50 %) in lahko se pojavi celo problem "nepopolnega rezanja". Zlasti kadar debelina materiala presega 8 mm, lahko nezadostna akumulacija energije povzroči, da na rezalnem robu ostanejo nestaljene kovine, tudi če se čas obdelave podaljša.
2. Odboj energije, ki povzroča poslabšanje vrhunske kakovosti
Neabsorbirani odbiti laser ni povsem "neuporaben"; namesto tega tvori "sekundarno obsevanje" v območju obdelave. Del odbite svetlobe se osredotoči na rob reza, kar povzroči prekomerno taljenje in oksidacijo roba ter nastanek nepravilne "plasti žlindre". Drugi del odbite svetlobe se razprši na površini materiala, kar ima za posledico neenakomerno lokalno temperaturo in "valovito" deformacijo reza (npr. odstopanje ravnosti rezanega roba po rezanju aluminijeve zlitine presega 0,1 mm/m). Poleg tega lahko odbita energija poškoduje ravnost površine materiala. Na primer, pri obdelavi posrebrenih kovinskih delov lahko odbiti laser povzroči lokalno luščenje plasti prevleke, kar povzroči "bele madeže". Potrebni so kasnejši dodatni postopki brušenja in poliranja, kar poveča stroške predelave.
II. Varnostna ovira opreme: "Nepopravljiva škoda" na laserskih sistemih, ki jo povzroči odbiti laser
Laser, ki se odbija od materialov z visoko refleksijo, ne vpliva samo na rezultate obdelave, ampak povzroči tudi resne poškodbe osnovnih komponent laserskih rezalnih strojev in lahko celo povzroči okvare opreme. To je hujša ovira kot težave s kakovostjo obdelave.
1. Nevarnost vžge leč za ostrenje in zaščitnih leč
Fokusna leča (odgovorna za fokusiranje laserskega žarka) in zaščitna leča (preprečuje, da bi brizganje žlindre onesnažilo fokusno lečo) stroja za lasersko rezanje sta glavni komponenti, ki sta neposredno izpostavljeni odbitemu laserju. Čeprav energija laserja, ki se odbija od materialov z visoko refleksijo, ni tako koncentrirana kot energija prvotnega laserskega žarka, še vedno zadostuje, da preseže tolerančni prag leč.
Na primer, ko se laserska energija, ki jo odbija čisti baker, osredotoči na površino zaščitne leče, lahko lokalna temperatura leče močno naraste na več kot 1000 stopinj, kar povzroči izgorevanje prevleke leče (kar ima za posledico črne pike) ali celo razpoke leče. Ko je zaščitna leča poškodovana, bo žlindra neposredno onesnažila lečo za ostrenje. Stroški zamenjave kompleta leč za ostrenje in zaščitnih leč lahko dosežejo več tisoč juanov, pogoste zamenjave pa bodo povečale čas izpada opreme in vplivale na napredek proizvodnje.
2. Poškodbe laserskih generatorjev zaradi »povratne energije«.
Del odbitega laserja se širi nazaj po poti laserskega prenosa in na koncu vstopi v laserski generator (npr. resonančno votlino laserja z vlakni). Osnovne komponente laserskih generatorjev (kot so viri črpalke in ojačana vlakna) imajo izjemno visoke zahteve glede energetske stabilnosti. Nazaj{4}}razširjeni odbiti laser poruši energijsko ravnovesje resonančne votline, kar povzroči nihanje izhodne moči laserja (z odstopanjem do ±10 %). Dolgotrajna-uporaba bo skrajšala življenjsko dobo vira črpalke (življenjska doba vira črpalke, ki je bila prvotno zasnovana za 50.000 ur, se lahko zmanjša na manj kot 30.000 ur pri obdelavi materialov z visoko refleksijo). V hudih primerih lahko celo zažge ojačitveno vlakno, kar povzroči razgradnjo laserskega generatorja, stroški vzdrževanja pa znašajo nekaj sto tisoč juanov.
III. Procesne in stroškovne ovire: slaba prilagodljivost in ekonomsko neravnovesje
Tudi če se sprejmejo tehnični ukrepi za ublažitev problema odboja energije, se lasersko rezanje materialov z visoko refleksijo še vedno sooča z ovirami nezadostne prilagodljivosti postopka in visokih stroškov, kar otežuje uporabo-v velikem obsegu.
1. Težave pri ujemanju parametrov procesa in visoki stroški odpravljanja napak
Materiali z visoko refleksijo imajo na splošno visoko toplotno prevodnost (npr. toplotna prevodnost bakra je več kot 5-krat večja od nizko-ogljičnega jekla). Med obdelavo se toplota hitro širi, kar zahteva natančno kontrolo procesnih parametrov, kot so moč laserja, hitrost rezanja in tlak plina. Na primer, pri obdelavi aluminijeve zlitine je treba moč laserja povečati na 1,5-kratno moč laserja, ki se uporablja za nizko-ogljično jeklo, medtem ko je hitrost rezanja zmanjšana (da se prepreči čezmerna difuzija toplote) in uporabi dušik visoke-čistosti (da se prepreči oksidacija).
Vendar pa obstajajo velike razlike v fizikalnih lastnostih med različnimi stopnjami visokoodbojnih materialov (npr. aluminijeve zlitine 6061 in aluminijeve zlitine 7075). Vsakič, ko je material spremenjen, je treba parametre ponovno -razhroščiti, kar lahko traja več ur ali celo dni in za delovanje zahteva izkušene tehnike, kar poveča kompleksnost procesa in stroške dela.
2. Visoki pomožni stroški in nezadostna ekonomičnost
Za zmanjšanje vpliva odbojnega laserja so potrebne dodatne investicije v pomožno opremo in potrošni material za obdelavo visokoodbojnih materialov. Potrebni so na primer "pro-prevlečni premazi" (kot je nanos črnih vpojnih premazov na bakrene površine), vendar je strošek premaza približno 10–20 juanov na kvadratni meter, premaz pa je treba po rezanju odstraniti z dodatnimi postopki.
Drug primer je potreba po opremi "obratnih laserskih izolatorjev" (za preprečevanje vstopa odbitega laserja v generator), pri čemer stroški namestitve enega sklopa na napravo znašajo od 10.000 do 30.000 juanov. Poleg tega je poraba plina (kot je dušik) med obdelavo visoko odbojnih materialov 2-3-krat večja od obdelave nizko-ogljikovega jekla, pogostost vzdrževanja opreme pa je večja (npr. leče je treba očistiti vsakih 500 ur obdelave, kar je 2-krat pogosteje kot pri običajni obdelavi). Celoten strošek je 40-60 % višji kot pri obdelavi navadnih kovin, zaradi česar je ekonomsko neizvedljiv za mala in srednjeserijska proizvodna podjetja.
IV. Okoljske in varnostne ovire: možna tveganja za zdravje in varnost
Med laserskim rezanjem materialov z visoko refleksijo se poleg nevarnosti poškodb opreme ustvarjajo tudi posebne varnostne nevarnosti, ki postavljajo višje zahteve glede delovnega okolja in zaščite osebja.
1. Tveganje "posredne škode" zaradi odbitega laserja
Del odbitega laserja se razprši v zrak predelovalne delavnice in tvori "razpršeni laser". Čeprav je gostota energije zmanjšana, lahko še vedno povzroči poškodbe oči operaterjev (kot so opekline mrežnice). Še posebej, če so v delavnici kovinske odsevne površine (kot so delovne mize iz nerjavečega jekla), se bo razpršeni laser dodatno odbijal, kar bo povečalo območje nevarnosti. Poleg tega lahko odbiti laser vžge vnetljive materiale v delavnici (kot so plastična embalaža in mazalno olje), kar predstavlja nevarnost požara.
2. Nastajanje nevarnih onesnaževal
Ko se materiali z visoko refleksijo (kot so titanove zlitine in pocinkane jeklene plošče) režejo z laserjem, zaradi visokih temperatur nastajajo posebna nevarna onesnaževala. Na primer, rezanje titanovih zlitin proizvaja prah titanovega dioksida (dolgotrajno-vdihavanje lahko povzroči pljučno fibrozo), rezanje pocinkanih jeklenih plošč pa sprošča hlape cinkovega oksida (ki dražijo dihalne poti in povzročajo "mrzlico kovinskega dima"). Ta onesnaževala je težje obdelati kot hlape, ki nastanejo pri običajnem rezanju kovin, zato je potrebna uporaba profesionalne visoko{3}}učinkovite opreme za filtriranje in odstranjevanje prahu (kot so filtri HEPA). Stroški naložbe v takšno opremo so 2-3-krat višji od stroškov običajne opreme za odstranjevanje prahu, filtrske elemente pa je treba redno menjati, kar povečuje stroške delovanja in vzdrževanja.
Zaključek: narava ovir in prelomne smeri
Če povzamemo, ovire pri obdelavi visoko odbojnih materialov z laserskimi rezalnimi stroji v bistvu izvirajo iz protislovja med visoko odbojnostjo materialov in logiko izrabe energije laserske obdelave-lasersko rezanje temelji na »absorpciji energije«, medtem ko je glavna značilnost visoko odbojnih materialov »odboj energije«. To protislovje povzroča številne težave pri kakovosti obdelave, varnosti opreme, nadzoru stroškov in zaščiti varnosti.
Trenutno je industrija ublažila nekatere od teh ovir s tehnologijami, kot je izboljšanje valovne dolžine laserja (npr. uporaba zelenega laserja 532 nm za povečanje stopnje absorpcije materialov z visoko refleksijo), optimizacija premazov za leče (npr. uporaba visoko anti-odsevnih premazov) in razvoj specializiranih rezalnih glav (npr. rezalnih glav s funkcijami za samodejno ostrenje in spremljanje energije), vendar popolna rešitev še ni bila dosežena.
V prihodnosti se pričakuje, da bodo z razvojem tehnologij, kot so laserji z ultra-kratkimi impulzi (npr. femtosekundni laserji) in inteligentni sistemi za nadzor energije, postopoma premagane ovire pri laserski obdelavi materialov z visoko refleksijo, kar bo spodbujalo njihovo široko uporabo na-področjih višjega cenovnega razreda, kot so letalstvo, elektronske komponente in precizni instrumenti.
--Rayther Laser Jack Sun--