با توسعه سریع حوزه های پزشکی، هوانوردی، هوافضا، نیمه هادی ها و انرژی، الزامات عملکرد برای اجزای کلیدی به طور مداوم در حال افزایش است که باعث پیشرفت فناوری و تجهیزات پردازش شده است. در این زمینه ها، انتخاب فناوری برش قطعات برای کیفیت و عملکرد محصول بسیار مهم است. اگرچه برش های مکانیکی سنتی و فناوری های برش آب فشار بالا به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرند، برش لیزری به دلیل مزایای آن در راندمان پردازش، دقت و سازگاری با محیط زیست به تدریج به اولین انتخاب تبدیل می شود. فناوری برش لیزری به طور مستقیم مواد را از طریق پرتو لیزر پرانرژی تابش می کند تا برش با دقت و راندمان بالا به دست آید. در عین حال، در طول فرآیند برش تماس فیزیکی آشکاری ایجاد نمی کند، در نتیجه آلودگی محیط را کاهش می دهد و با مفهوم تولید سبز مطابقت دارد.
تکنولوژی برش لیزری برتری خود را در بسیاری از سناریوهای کاربردی نشان داده است. به عنوان مثال، در حوزه پزشکی، با ورود کشور من به جامعه ای پیر، تقاضا در بازار برای استنت های داخل عروقی افزایش یافته است و نرخ رشد بازار در سال های اخیر از 20 درصد فراتر رفته است. فناوری برش لیزری به دلیل دقت و سازگاری بالا، پتانسیل استفاده گسترده در پردازش استنت داخل عروقی را دارد. با این حال، برش لیزری سنتی میتواند در برخی موارد باعث آسیب حرارتی به مواد شود، که باعث ایجاد کف ریز و لایهای متاثر از حرارت روی سطح ماده میشود و در نتیجه بر عملکرد و عمر مفید مواد تأثیر میگذارد. به منظور غلبه بر این محدودیت ها، فناوری برش لیزری هدایت آب به عنوان یک روش برش نوآورانه ظاهر شده است. با وارد کردن جریان آب در طول فرآیند برش لیزری، می تواند به طور موثر آسیب حرارتی را کاهش دهد و کیفیت سطح مواد برش را بهبود بخشد.
لیزر هدایت آب چیست؟
فناوری برش لیزری با هدایت آب یک روش پردازش ترکیبی نوآورانه است که از یک جت آب برای هدایت پرتو لیزر برای برش دقیق قطعه کار استفاده می کند. هسته اصلی این فناوری استفاده از ویژگی های مختلف ضریب شکست آب و هوا است. هنگامی که پرتو لیزر در یک زاویه معین به سطح مشترک آب و هوا هدایت می شود، اگر زاویه برخورد کمتر از زاویه بحرانی بازتاب کلی باشد، پرتو لیزر به طور کامل منعکس شده و به سطح مشترک نفوذ نمی کند و در نتیجه اطمینان حاصل می شود که لیزر انرژی به طور موثر در پرتو آب محدود و منتقل می شود.
پرتو لیزر ابتدا توسط یک عدسی محدب متمرکز می شود و سپس از یک پنجره شیشه ای کوارتز به داخل حفره آب جفت شده عبور می کند. با تنظیم دقیق فاصله بین لنز فوکوس و نازل پین هول، می توان اطمینان حاصل کرد که فوکوس لیزر دقیقاً در مرکز سطح بالایی نازل قرار گرفته است. متعاقباً، پرتو لیزر وارد یک جت آب پایدار میشود، جایی که بازتاب کلی به دلیل تفاوت در ضریب شکست رخ میدهد، فرآیندی شبیه انتشار نور در فیبر نوری. در طول پردازش، پرتو لیزر متمرکز توسط یک پرتو آب با فشار بالا هدایت میشود و مستقیماً به سطح قطعه کار منتقل میشود و به نتایج برش کارآمد و دقیق میرسد.
مزایای لیزر هدایت آب
فناوری برش لیزری واتر جت یک روش پردازش نوآورانه است که جت های آب و پرتوهای لیزر را ترکیب می کند. این به طور گسترده ای در زمینه های ساخت دقیق و ماشینکاری میکرو استفاده شده است. در مقایسه با برش لیزر سنتی، برش لیزری با هدایت آب دارای چندین مزیت منحصر به فرد است که آن را به ویژه در سناریوهای کاربردی خاص خوب می کند.
اول از همه، ویژگی متمایز برش لیزری هدایت آب این است که از آسیب حرارتی جلوگیری می کند. به دلیل دمای بالا، برش لیزری سنتی به راحتی می تواند باعث تغییر شکل حرارتی مواد و آسیب به ریزساختار شود. در برش لیزری هدایت شده با آب، جریان آب خارج شده به طور موثر مواد را در طول شکاف پالس لیزر خنک می کند، که استرس حرارتی ماده را تا حد زیادی کاهش می دهد و به آن اجازه می دهد تا خواص فیزیکی و شیمیایی اولیه خود را حفظ کند.
ثانیاً، فیبر آب در حین کار فاصله کاری زیادی دارد و مانند برش لیزر سنتی نیازی به تمرکز دقیق پرتو لیزر ندارد، که انعطاف پذیری بیشتری را برای پردازش مواد با هندسه های پیچیده فراهم می کند. علاوه بر این، جریان آب نه تنها به عنوان یک خنک کننده در طول فرآیند برش عمل می کند، بلکه مواد مذاب تولید شده در طول فرآیند برش را نیز از بین می برد، در نتیجه رسوب آلاینده ها را به طور قابل توجهی در منطقه پردازش کاهش می دهد، که به ویژه برای محیط های پردازش بسیار مهم است. الزامات پاکیزگی
علاوه بر این، از آنجایی که برش لیزری با هدایت آب می تواند به حذف مواد با دقت بالا دست یابد، این فناوری به ویژه برای پردازش قطعات جدار نازک مناسب است و از نظر دقت و کیفیت سطح نسبت به روش های پردازش لیزر سنتی برتری دارد. با پیشرفت مداوم تکنولوژی، انتظار می رود که برش لیزری با هدایت آب جایگزین برش لیزری سنتی در زمینه های بیشتری شود و به یک روش پردازش کارآمدتر و سازگار با محیط زیست تبدیل شود.
مشکلات فنی و روند توسعه برش لیزری با هدایت آب
1. تضعیف لیزر در پرتو آب: به عنوان یک روش پردازش پیشرفته که ترکیبی از جت آب و لیزر است، فناوری برش لیزر با هدایت آب پتانسیل منحصر به فرد را در تولید دقیق نشان داده است. با این حال، به دلیل تضعیف انرژی زیاد لیزر در آب، این امر کارایی آن را در کاربردهای پرقدرت محدود می کند. به طور خاص، لیزر با چگالی توان بالا در پرتو آب به دلیل پراکندگی و جذب متعدد، کاهش انرژی زیادی دارد و در نتیجه سرعت پردازش کاهش مییابد. به عنوان مثال، هنگام برش مواد کامپوزیتی فیبر کربن با ضخامت 18 میلی متر، سرعت آن تنها 5 میلی متر در دقیقه است که کاربرد این فناوری را در پردازش مواد ضخیم بسیار محدود می کند. اگرچه تحقیقات کنونی اصول اولیه انتقال لیزر در آب را آشکار کرده است، اما چگونگی کاهش موثر این کاهش هنوز یک مشکل فنی است که باید حل شود. در آینده، مواد دی الکتریک با خواص هدایت نور بهتر ممکن است برای جایگزینی پرتوهای آب ساخته شوند، در نتیجه راندمان برش و کاربرد فرآیند را بهبود بخشند.
2. چالش کوچک سازی جت آب: در فناوری برش لیزری با هدایت آب، قطر جت آب مستقیماً بر دقت و عرض برش تأثیر می گذارد. با توسعه فناوری ریز ماشینکاری، قطر نازل را می توان تا 30 میکرون کاهش داد و به این ترتیب برش با دقت بالا دست یافت. با این حال، کوچکسازی بیشتر جتهای آب با یک سری چالشهای فنی از جمله پایداری پرتو آب، طول مؤثر و کنترل قطر نقطه لیزر مواجه است. این مسائل نه تنها بر اثر برش تاثیر می گذارد، بلکه الزامات بالاتری را برای طراحی و ساخت تجهیزات مطرح می کند. تحقیقات آینده ممکن است بر بهینه سازی طراحی نازل و دینامیک سیال برای بهبود بیشتر دقت برش و در عین حال حفظ پایداری جت آب تمرکز کند.
3. الزامات فنی برای پردازش سوراخ نازل: به منظور اطمینان از کیفیت بالای برش لیزری هدایت شده با آب، دقت طراحی و ساخت سوراخ نازل بسیار مهم است. سوراخ نازل باید ضخامت دیواره بسیار نازکی داشته باشد و در عین حال گردی با دقت بالا و بدون مخروطی برای مقاومت در برابر ضربه جریان آب حفظ شود. علاوه بر این، ناهمواری سطح داخلی سوراخ باید در سطح بسیار کم کنترل شود تا از پایداری و قوام پرتو آب اطمینان حاصل شود. این استانداردهای طراحی با تقاضای بالا، پردازش سوراخ های نازل را به خصوص در تولید انبوه بسیار دشوار می کند. چگونگی حفظ ثبات و دقت یک چالش کلیدی پیش روی صنعت تولید است.
4. پیچیدگی سیستم کنترل تراز کوپلینگ: در سیستم برش لیزری با هدایت آب، دقت کوپلینگ و تراز پرتو لیزر و پرتو آب مستقیماً بر کیفیت برش تأثیر می گذارد. در حال حاضر، اگرچه مکانیسم های کنترل سروو درایو با دقت بالا اتخاذ شده است، مشکل جفت شدن سریع و دقیق لیزر و پرتو آب به طور کامل حل نشده است. به منظور بهبود دقت کوپلینگ، معرفی سیستمهای تشخیص و کالیبراسیون پیشرفتهتر مانند سیستم تشخیص فیبر پرتو آب و کوپلینگ متمرکز لیزری، سیستم موقعیتیابی قطعه کار و غیره ضروری است. یکپارچهسازی و بهینهسازی این سیستمها کلید دستیابی به این امر است. برش لیزری با هدایت آب با دقت بالا.
5. تحقیقات سیستماتیک فرآیند ناکافی: اگرچه فناوری لیزر هدایت شده با آب مزایای زیادی را در تئوری نشان داده است، کنترل فرآیند هنوز در کاربردهای عملی با چالش های زیادی روبرو است. در حال حاضر، صنعت فاقد فناوری پردازش و سیستم ارزیابی کامل است که حفظ شاخص های کلیدی مانند کارایی پردازش، دقت و یکپارچگی سطح مواد را دشوار می کند. فقدان این تحقیقات فرآیندی باعث میشود که قابلیت انطباق فناوری برش لیزری هدایتشونده با آب در شرایط مواد و ضخامت متفاوت ضعیف باشد. بنابراین، تحقیقات فرآیندی سیستماتیکتری در آینده برای ایجاد یک کتابخانه جامع پارامترهای فرآیند و استانداردهای ارزیابی مورد نیاز است تا پتانسیل کاربرد صنعتی فناوری لیزر هدایتشونده با آب افزایش یابد.
