01 اصول و ویژگی های فنی
اصل اساسی لیزر هدایت شونده با آب این است که پرتو لیزر را به یک جت میکرو فشار قوی- متصل می کند و لیزر را از طریق جت آب به سطح ماده هدایت می کند. در این سیستم، لیزر تولید شده توسط منبع لیزر ابتدا از یک سری اجزای نوری (مانند عدسی ها و آینه ها) برای موازی و فوکوس عبور می کند و سپس با جت آب فشار بالا از طریق یک نازل مخصوص ترکیب می شود. جت آب یک کانال کوچک در نازل تشکیل می دهد و پرتو لیزر از طریق این کانال به سطح قطعه کار هدایت می شود، همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است. از آنجایی که ضریب شکست آب با هوا متفاوت است، مسیر انتشار لیزر در آب تغییر می کند، بنابراین طراحی اپتیکی دقیقی برای اطمینان از پایداری و تمرکز انرژی پرتو لیزر مورد نیاز است.
شکل 1. اصل فنی لیزرهای هدایت شونده با آب.
دقت بالا: فناوری لیزر هدایتشونده با آب میتواند به دقت پردازش زیر میلیمتری یا حتی میکرومتری{1}} دست یابد. از آنجایی که قطر جت آب بسیار کوچک است، معمولاً تنها دهها تا صدها میکرومتر است، پرتو لیزر را میتوان دقیقاً به موقعیتهای خاصی روی قطعه کار هدایت کرد تا عملیات برش، حفاری یا حکاکی دقیق انجام شود. راندمان بالا: در طول پردازش لیزر هدایتشونده با آب، پرتو لیزر مستقیماً از طریق جت آب به سطح قطعه کار منتقل میشود و اتلاف انرژی و پراکندگی در هوا را کاهش میدهد. علاوه بر این، جت آب همچنین اثرات خنککننده و فلاشینگ را فراهم میکند، به طور موثر دمای سطح قطعه کار را کاهش میدهد و ناحیه تحت تأثیر حرارت{6}}را کاهش میدهد، در نتیجه کارایی و کیفیت پردازش را بهبود میبخشد. کاهش آسیب حرارتی: به دلیل اثر خنک کنندگی جت آب،-منطقه تحت تأثیر گرما (HAZ) در- پردازش لیزر هدایت شونده آب بسیار کم است. منطقه تحت تأثیر حرارت{11}}به ناحیهای روی سطح و داخل قطعه کار اشاره میکند که در آن تغییر شکل حرارتی، آسیب یا تغییرات فاز به دلیل هدایت گرما و تشعشع در طول پردازش لیزر رخ میدهد. خنک شدن سریع جت آب در آب{13}فرآوری لیزر هدایتشده به سرعت گرما را از سطح قطعه کار حذف میکند و در نتیجه اندازه و عمق منطقه تحت تأثیر گرما را کاهش میدهد و از تغییر شکل حرارتی و آسیب به مواد جلوگیری میکند.
شکل 2. (الف) تصاویر SEM از مقاطع برش آلیاژ تیتانیوم با برش "لیزر خشک معمولی" و برش لیزری هدایت شونده با آب، (ب) مقایسه سطوح برش CFRP که با لیزر هدایت شده با آب و برش "لیزر خشک معمولی" به دست آمده است.
02 فیلدهای کاربردی
میدان هوافضا: حوزه هوافضا نیازمندیهای بسیار بالایی برای دقت و کیفیت پردازش مواد دارد و فناوری لیزر هدایتشونده آب{0} در این زمینه بهطور گسترده مورد استفاده قرار میگیرد. میتوان از آن برای پردازش اجزای کلیدی موتورهای هوافضا مانند پرهها، دیسکهای توربین، و محفظههای احتراق استفاده کرد که معمولاً از موادی مانند سوپرآلیاژها و آلیاژهای تیتانیوم ساخته میشوند. لیزرهای هدایتشونده با آب میتوانند به طور مؤثر این مواد را برش داده و حکاکی کنند و در عین حال دقت پردازش و کیفیت سطح را تضمین کنند و در نتیجه عملکرد و قابلیت اطمینان اجزا را بهبود بخشند. علاوه بر این، لیزرهای هدایتشونده با آب نیز میتوانند برای پردازش بخشهای ساختاری وسایل نقلیه هوافضا، مانند بالها و بدنهها، استفاده شوند که امکان ماشینکاری اشکال پیچیده و طرحهای سبک وزن را فراهم میکند.
میدان نیمه هادی: در تولید نیمه هادی، می توان از لیزرهای هدایت شونده آب{0} برای برش مواد نیمه هادی مانند ویفرهای سیلیکونی و همچنین برای بسته بندی و آزمایش تراشه استفاده کرد. از آنجایی که مواد نیمه هادی به دقت پردازش و کیفیت سطح بسیار بالایی نیاز دارند، دقت بالا و ویژگی های آسیب حرارتی کم لیزرهای هدایت شونده آب، آنها را به یک ابزار پردازش ایده آل تبدیل می کند. آنها می توانند به برش ظریف ویفرهای سیلیکونی دست یابند، از ترک و آسیب جلوگیری کنند، بنابراین عملکرد و عملکرد تراشه ها را بهبود می بخشند. علاوه بر این، لیزرهای هدایتشونده آب را میتوان برای دستگاههای نیمهرسانای خرد، مانند ساخت اجزای میکروالکترونیکی و حکاکی کردن ریزمدارها، ارائه دقت ماشینکاری در سطح میکرومتر یا حتی نانومتر، استفاده کرد.
میدان انرژی جدید: در بخش انرژی جدید، میتوان از لیزرهای هدایتشونده آب- برای پردازش اجزای کلیدی دستگاههای انرژی جدید مانند پانلهای خورشیدی و سلولهای سوختی استفاده کرد. به عنوان مثال، در ساخت پانلهای خورشیدی، میتوان از لیزرهای هدایتشونده آب برای برش ویفرهای سیلیکونی و اچ کردن الگوهای الکترود بر روی سطح سلولهای خورشیدی استفاده کرد و راندمان تبدیل فتوولتائیک و عملکرد پانلها را افزایش داد. در تولید پیل سوختی، لیزرهای هدایت شونده با آب میتوانند اجزایی مانند مجموعههای الکترود غشایی و صفحات دوقطبی را پردازش کنند و برش و حکاکی با دقت بالا را ممکن میسازند، بنابراین عملکرد و طول عمر پیلهای سوختی را بهبود میبخشند.
شکل 3. کاربردهای لیزرهای هدایت شونده با آب.
03 چالش ها و مشکلاتی که لیزرهای هدایت شونده با آب با آن روبرو هستند
پایداری جت آب: در طول پردازش لیزری هدایتشونده با آب، جت آب با سرعت بالا ممکن است ناپایدار شود که میتواند بر کیفیت پردازش تأثیر بگذارد. به عنوان مثال، در طول برش، نوسانات در جت آب می تواند باعث انحراف در خط برش یا افزایش زبری سطح شود و بر دقت ماشینکاری و کیفیت سطح تأثیر بگذارد. برای اطمینان از پایداری جت آب، لازم است سیستم کنترل جت آب بهینه سازی شود تا بتواند در طول پردازش حالت پایدار را حفظ کند.
لیزر{0}}راندمان کوپلینگ آب: راندمان اتصال بین پرتو لیزر و جت آب مستقیماً بر نتایج پردازش تأثیر میگذارد. اگر راندمان کوپلینگ پایین باشد، اتلاف انرژی لیزر در جت آب افزایش مییابد و باعث کاهش راندمان پردازش و کیفیت میشود.
الزامات فنی برای سوراخهای نازل: برای اطمینان از پردازش لیزر هدایتشونده-آب با کیفیت بالا، دقت طراحی و ساخت سوراخ نازل بسیار مهم است. سوراخ نازل باید دیواره های بسیار نازکی داشته باشد و در عین حال دقت بالایی در گرد بودن و مخروطی صفر داشته باشد تا در برابر ضربه جریان آب مقاومت کند. علاوه بر این، زبری سطح داخلی سوراخ باید بسیار کم نگه داشته شود تا از پایداری و قوام جت آب اطمینان حاصل شود.
سازگاری با محیط: تجهیزات پردازش لیزری هدایت شونده{0}}آب دارای الزامات زیست محیطی بالایی هستند. به عنوان مثال، عملکرد تجهیزات به یک منبع تغذیه پایدار، آب تمیز و یک محیط با دما و رطوبت ثابت نیاز دارد. در محیط هایی با شرایط نامناسب، مانند نوسانات زیاد دما، رطوبت بالا، یا منبع تغذیه ناپایدار، عملکرد تجهیزات ممکن است کاهش یابد یا حتی از کار بیفتد. علاوه بر این، عواملی مانند گرد و غبار و لرزش در محیط ممکن است در پردازش تداخل داشته باشد و بر دقت و کیفیت ماشینکاری تأثیر بگذارد. بنابراین در کاربردهای عملی کنترل و مدیریت دقیق محیط عملیاتی تجهیزات ضروری است.
04 وضعیت توسعه فعلی صنعت در داخل و خارج از کشور
با پیشرفت مداوم فناوری پردازش دقیق لیزر و افزایش تقاضای بازار، فناوری پردازش لیزر هدایتشونده آب نیز به طور مداوم در حال توسعه و بهبود است. تولیدکنندگان پیشرو بینالمللی{2}}تجهیزات لیزر هدایت شونده با آب عمدتاً شامل دو شرکت هستند: Synova سوئیس و Avonisys. در حال حاضر، در میان شرکتهای تجهیزات پردازش لیزری هدایتشونده آب خانگی، شرکتهایی که نسبتاً سریع توسعه مییابند عبارتند از Wot Intelligent Manufacturing، Cosset، و Shanghai Lengchen Technology، از جمله. برخی دیگر از شرکتها رویکرد معرفی مستقیم فناوریهای خارجی مرتبط و سپس مونتاژ و تولید آنها را در داخل و با بهینهسازی محصولات خود اتخاذ میکنند. اگرچه این می تواند به سرعت شکاف های تکنولوژیکی را پر کند و هزینه ها و زمان تحقیق و توسعه را در کوتاه مدت کاهش دهد، اما هنوز مشکلات خاصی در بلندمدت وجود دارد، مانند وابستگی به فناوری های اصلی خارجی، سرمایه گذاری نامتوازن در تحقیق و توسعه و خطرات سرریز در زنجیره صنعتی. نویسنده معتقد است که باید یک چرخه مثبت "معرفی-جذب-پیشرفت" ایجاد شود. خبر خوب این است که در حال حاضر شرکت های داخلی وجود دارند که قادر به ارائه تجهیزات تجاری با قطعات 100 درصدی تولید داخل هستند. با دگرگونی و ارتقای صنعت تولید چین، فناوری پردازش لیزر هدایتشونده با آب نقش مهمتری در تولید با کیفیت بالا، بهویژه در وسایل نقلیه جدید انرژی، هوافضا، و{15}}تجهیزات پیشرفته بازی خواهد کرد. استفاده از فناوری لیزر هدایتشونده با آب منجر به نوآوری فناوری و ارتقای محصول در این صنایع میشود.
