برش لیزری

فناوری های نوین در دنیای صنعت همواره به دنبال راهی برای افزایش سرعت، دقت و کیفیت در تولید قطعات بوده اند و در این میان برش لیزری به عنوان یکی از پیشرفته ترین و کارآمدترین روش های جداسازی متریال شناخته می شود. این تکنولوژی که بر پایه تمرکز پرتوهای نوری قدرتمند بر روی یک نقطه بسیار کوچک بنا شده است، توانسته است تحولی عظیم در صنایع مختلف از جمله خودروسازی، هوافضا، پزشکی و حتی هنر و معماری ایجاد کند.

زمانی که صحبت از تبدیل طرح های پیچیده دیجیتالی به قطعات فیزیکی با کمترین میزان خطا می شود، استفاده از پرتوهای لیزر به عنوان ابزار برش، جایگزینی بی رقیب برای روش های سنتی مانند برش های مکانیکی یا پلاسما محسوب می شود. در این فرآیند، انرژی متمرکز شده باعث ذوب، سوختن یا تصعید مواد در کسری از ثانیه می شود و لبه هایی بسیار تمیز و بدون پلیسه ایجاد می کند که در بسیاری از موارد نیاز به فرآیندهای پرداخت ثانویه را کاملا از بین می برد.

اهمیت این موضوع زمانی دوچندان می شود که بدانیم در بازارهای رقابتی امروز، کاهش زمان تولید و به حداقل رساندن ضایعات مواد اولیه، نقش کلیدی در سودآوری واحدهای صنعتی ایفا می کند. تکنولوژی لیزر با قابلیت کنترل پذیری بالا و امکان اتصال به سیستم های کامپیوتری پیشرفته، این امکان را فراهم می کند که حتی پیچیده ترین هندسه ها با ظرافتی مثال زدنی برش داده شوند. با توجه به گستردگی کاربرد این روش، شناخت دقیق اصول عملکرد، مزایا و معایب آن برای هر مهندس، طراح یا تولیدکننده ای که به دنبال ارتقای سطح کیفی محصولات خود است، امری ضروری و اجتناب ناپذیر به شمار می آید.

برش لیزری چیست؟

برای درک عمیق این که ماهیت علمی و فنی این فرآیند دقیقا شامل چه مواردی می شود، باید به اصول فیزیک نور و برهم کنش آن با ماده نگاهی دقیق تر بیندازیم. در واقع این فناوری استفاده از یک پرتو نوری تک رنگ، منسجم و با انرژی بسیار بالا است که توسط یک منبع تولیدکننده لیزر (رزوناتور) ایجاد شده و سپس از طریق مجموعه ای از آینه ها یا فیبرهای نوری به سمت هد دستگاه هدایت می شود.

در داخل هد دستگاه، یک لنز متمرکزکننده وجود دارد که این پرتو را در نقطه ای بسیار ریز (معمولا با قطری کمتر از نیم میلی متر) متمرکز می کند و تراکم انرژی فوق العاده ای را در آن نقطه به وجود می آورد. این تراکم انرژی باعث می شود دمای نقطه مورد نظر به سرعت بالا رفته و پیوندهای مولکولی ماده شکسته شود. نکته قابل توجه در این سیستم ها استفاده از گازهای کمکی مانند نیتروژن، اکسیژن یا هوای فشرده است که همزمان با تابش پرتو، با فشار بالا به محل برش دمیده می شوند تا مواد ذوب شده را از شیار برش خارج کرده و همچنین از لنز در برابر پاشش مواد محافظت کنند.

بسیاری از صنعتگران و متخصصانی که با گروه صنعتی اقدم همکاری داشته اند، به خوبی می دانند که کیفیت نهایی کار تا چه حد به تنظیم دقیق پارامترهای این پرتو و نوع گاز کمکی وابسته است. استفاده از این تکنولوژی تنها محدود به فلزات نیست و طیف وسیعی از مواد غیرفلزی مانند چوب، پلکسی گلاس، پارچه و چرم را نیز در بر می گیرد، اما مکانیزم عمل در همه آن ها بر پایه تمرکز انرژی حرارتی و تخلیه سریع مواد از مسیر برش استوار است.

برش لیزر چیست؟

شاید در نگاه اول به نظر برسد که این سوال تکراری است، اما در محافل تخصصی و مهندسی، پاسخ به این پرسش جنبه های متفاوتی از تکنولوژی سورس های تولید کننده اشعه را هدف قرار می دهد. وقتی می پرسیم ماهیت این ابزار چیست، باید به تفاوت میان انواع سورس های تولید لیزر مانند لیزرهای گازی (CO2)، لیزرهای جامد (Solid State) و لیزرهای فایبر (Fiber) بپردازیم که هر کدام طول موج و مشخصات فنی منحصر به فرد خود را دارند.

لیزرهای CO2 که از قدیمی ترین و پرکاربردترین انواع هستند، با تحریک مخلوطی از گازها الکتریسیته تولید می کنند و برای برش غیرفلزات و برخی فلزات با ضخامت بالا بسیار مناسب هستند، زیرا طول موج آن ها (۱۰.۶ میکرومتر) جذب خوبی در این مواد دارد. در مقابل، تکنولوژی لیزرهای فایبر که امروزه سهم بزرگی از بازار برش فلزات را به خود اختصاص داده اند، پرتو را در یک محیط جامد و درون فیبرهای نوری تقویت می کنند و با طول موجی حدود ۱.۰۶ میکرومتر کار می کنند.

این طول موج کوتاه تر باعث می شود نرخ جذب انرژی در فلزات (به ویژه فلزات رنگین مانند مس و برنج که بازتاب بالایی دارند) بسیار بیشتر باشد و سرعت برش به طرز چشمگیری افزایش یابد. علاوه بر این، راندمان الکتریکی لیزرهای فایبر بسیار بالاتر از مدل های گازی است و هزینه های تعمیر و نگهداری کمتری را به مجموعه های تولیدی تحمیل می کنند.

بنابراین پاسخ به چیستی این تکنولوژی، در واقع شناخت دقیق رفتار فوتون ها در محیط های مختلف و نحوه انتخاب صحیح نوع دستگاه بر اساس جنس و ضخامت متریال مورد نظر است. عدم آگاهی از این تفاوت های بنیادین می تواند منجر به سرمایه گذاری اشتباه در خرید تجهیزات یا انتخاب روش نامناسب برای تولید یک قطعه خاص شود که در نهایت هزینه های سربار تولید را به شدت افزایش می دهد.

مضرات برش لیزر فلزات

هر فناوری صنعتی در کنار مزایای بی شماری که ارائه می دهد، چالش ها و خطراتی نیز به همراه دارد که نادیده گرفتن آن ها می تواند عواقب جبران ناپذیری برای اپراتورها، محیط زیست و کیفیت نهایی محصول داشته باشد. یکی از مهم ترین مضرات و چالش های برشکاری با اشعه، ایجاد ناحیه متاثر از حرارت یا همان HAZ (Heat Affected Zone) است.

با این که تمرکز حرارتی در این روش بسیار بالاست، اما همچنان مقداری حرارت به لبه های کناری نفوذ کرده و می تواند باعث تغییر در ساختار متالورژیکی فلز، سخت شدن لبه ها و یا ایجاد میکروترک هایی شود که در کاربردهای حساس هوافضا یا سازه های تحت فشار مشکل ساز خواهد بود. علاوه بر مسائل متالورژیکی، بحث ایمنی و سلامت اپراتور نیز بسیار حائز اهمیت است؛ چرا که فرآیند ذوب و تبخیر فلزات موجب تولید دودها و بخارات سمی می شود که حاوی ذرات ریز فلزی و اکسیدهای خطرناک هستند.

تنفس طولانی مدت این بخارات بدون سیستم های تهویه مناسب می تواند بیماری های تنفسی جدی ایجاد کند. همچنین، بازتاب پرتو لیزر از سطح فلزات صیقلی، خطری جدی برای بینایی افراد حاضر در محیط کارگاه محسوب می شود و استفاده از عینک های محافظ مخصوص طول موج دستگاه امری حیاتی است. جدول زیر برخی از خطرات اصلی و راهکارهای مقابله با آن را نشان می دهد:

برشکاری لیزری چگونه انجام می شود؟

فرآیند اجرایی برشکاری با استفاده از پرتو لیزر یک عملیات کاملا سیستماتیک و وابسته به نرم افزارهای طراحی و کنترل عددی است که طی چندین مرحله دقیق و پیوسته انجام می پذیرد تا طرح ذهنی به واقعیت فیزیکی تبدیل شود. همه چیز از یک فایل طراحی دو بعدی یا سه بعدی در نرم افزارهایی مانند اتوکد، سالیدورکس یا کتیا آغاز می شود که در آن تمام ابعاد و جزئیات قطعه با دقت بالا ترسیم شده است.

این فایل سپس به نرم افزار واسط دستگاه (CAM) منتقل می شود تا به زبان ماشین یا همان جی کدها (G-Code) تبدیل گردد؛ در این مرحله مسیر حرکت هد دستگاه، نقاط شروع و پایان برش، سرعت حرکت و توان لیزر برای هر بخش از طرح تعریف می شود. پس از بارگذاری برنامه در کنترلر دستگاه، اپراتور ورق خام را روی میز کار قرار داده و موقعیت صفر قطعه را تنظیم می کند.

خدمات مرتبط: خدمات فرز CNC سه محور

با شروع عملیات، سورس لیزر پرتو را تولید کرده و سیستم اپتیکال آن را به سمت نازل هدایت می کند. همزمان با حرکت هد دستگاه که توسط موتورهای دقیق سروو (Servo Motors) و بر روی محورهای X و Y کنترل می شود، پرتو لیزر با چگالی انرژی بالا به سطح قطعه برخورد کرده و عملیات ذوب را انجام می دهد. در همین حین، گاز کمکی (مانند نیتروژن برای برش های اکسید نشدنی یا اکسیژن برای تسریع فرآیند با ایجاد واکنش گرمازا) با فشار مشخصی از نوک نازل خارج می شود تا مواد مذاب را از شیار به پایین براند.

دقت برش لیزر چقدر است؟

یکی از مهم ترین سوالاتی که مهندسان و صنعتگران پیش از انتخاب روش تولید مطرح می کنند، میزان تلرانس و دقت ابعادی است که می توان از دستگاه انتظار داشت و در مورد تکنولوژی لیزر، پاسخ بسیار امیدوارکننده است. دقت این دستگاه ها به عوامل متعددی از جمله کیفیت ساخت شاسی دستگاه، نوع موتورها و درایوها، سیستم انتقال نیرو (بال اسکرو یا رک و پینیون) و البته کیفیت سورس و اپتیک بستگی دارد، اما به طور کلی دستگاه های لیزر صنعتی مدرن قادرند به دقتی در حدود ۰.۰۱ تا ۰.۰۵ میلی متر دست پیدا کنند که در مقیاس صنعتی عددی فوق العاده محسوب می شود.

شاید نیاز داشته باشید: دستگاه برش لیزری

این سطح از دقت به این معنی است که حتی سوراخ هایی با قطر کمتر از ضخامت ورق یا طرح های مشبک بسیار پیچیده و ظریف را می توان بدون هیچ گونه خطای ابعادی ملموسی تولید کرد. عرض شکاف برش (Kerf Width) در این روش بسیار کم است (معمولا بین ۰.۱ تا ۰.۳ میلی متر)، که این ویژگی باعث می شود بتوان قطعات را با کمترین فاصله ممکن در کنار یکدیگر چیدمان کرد و پرت مواد را به حداقل رساند.

علاوه بر دقت مکانی، تکرارپذیری (Repeatability) دستگاه های لیزر نیز بسیار بالاست؛ به این معنی که اگر قرار باشد هزاران قطعه مشابه تولید شود، آخرین قطعه دقیقا با همان ابعاد و تلرانس قطعه اول تولید خواهد شد. البته باید توجه داشت که عواملی مانند لرزش دستگاه، کثیف بودن لنزها یا نوسانات حرارتی ورق در حین برش می توانند به صورت جزئی بر این دقت تاثیر بگذارند، اما با کالیبراسیون دوره ای و نگهداری صحیح، این خطاها قابل کنترل هستند.