نویسنده: مدیر فروشگاه

آشنایی با برش لیزر

برش لیزری یک فرآیند ساخت است که از یک پرتو لیزر متمرکز و پرقدرت برای برش مواد به اشکال و طرح های سفارشی استفاده می کند. این فرآیند برای طیف وسیعی از مواد از جمله فلز، پلاستیک، چوب، سنگ‌های قیمتی، شیشه و کاغذ مناسب است و می‌تواند قطعات دقیق و پیچیده‌ای را تولید کند.

انواع مختلفی از برش لیزری موجود است، از جمله برش فیوژن، برش اکسیداسیون و خراش دادن. هر فرآیند برش لیزری می‌تواند برش قطعات را با دقت و کیفیت بالاتولید کند. و به طور کلی با آلودگی كمتر، آسیب فیزیکی و ضایعات کمتر نسبت به سایر فرآیندهای برش معمولی مانند برش مکانیکی و برش واترجت. در حالی که برش لیزری مزایای خاصی را نسبت به فرآیندهای برش معمولی نشان می دهد،  ولي در برخی از کاربردهای تولیدی می تواند مشکل ساز باشد، مانند برش مواد بازتابنده یا موادی که نیاز به ماشینکاری و تکمیل کار ثانویه دارند.

هر فرآیند برش، مزایا و معایب خود را دارد، این مقاله بر برش لیزری تمرکز دارد و اصول اولیه این فرآیند و اجزاء و مکانیک لازم دستگاه برش لیزر را بیان می‌کند. علاوه بر این، این مقاله به بررسی روش‌ها و کاربردهای مختلف برش لیزری، مزایا و محدودیت‌های فرآیند، و مقایسه بین برش لیزری و انواع دیگر فرآیندهای برش می‌پردازد.

دستگاه و فرآیند برش لیزری

برش لیزری یک فرآیند ساخت غیر تماسی و مبتنی بر حرارت است که برای مواد فلزی و غیرفلزی مناسب است. برای اینکه این فرآیند بدون مشکل و با ظرفیت بهینه اجرا شود، عوامل مختلفی باید در نظر گرفته شود، مانند پیکربندی و تنظیمات دستگاه برش لیزر

بررسی اجمالی اجزاء و مکانیک دستگاه لیزر

بر خلاف برش مکانیکی، که از ابزارهای برش و تجهیزات برقی استفاده می کند. و برش واترجت، که از آب تحت فشار و مواد ساینده استفاده می کند. برش لیزری از یک دستگاه برش لیزری برای تولید برش، حکاکی و علامت گذاری استفاده می کند. در حالی که ماشین‌های برش لیزری از مدلی به مدل دیگر و کاربرد به کاربرد متفاوت هستند، فرآیند اصلی آنها شامل مراحل زیر است:

• تولید پرتو
• تمرکز پرتو
• گرمایش و ذوب موضعی
• بیرون ریختن مواد
• حرکت پرتو

هر مرحله از فرآیند برش لیزری اجتناب ناپذیر است و وقتی به درستی اجرا شود، یک برش دقیق ایجاد می کند.

توليد پرتو :

واژه لیزر از مخفف LASER یا Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation گرفته شده است. در اصل، این مخفف اصول اولیه تولید لیزر – تحریک و تقویت را خلاصه می کند. همراه با این اصول، تشدید کننده لیزر از فرآیندهای گسیل خود به خود و انتشار تحریک شده برای تولید یک پرتو نور با شدت بالا استفاده می کند که هم از نظر فضایی و هم از نظر طیفی منسجم است (یعنی یک پرتو لیزر).

*انتشار خود به خود:

تشدید کننده لیزر حاوی یک محیط لیزر فعال (مانند CO2) است که الکترون های آن توسط یک منبع انرژی خارجی، مانند لامپ فلاش یا قوس الکتریکی تحریک می شوند. همانطور که محیط انرژی دریافت و جذب می کند، اتم های آن فرآیندی را تجربه می کنند که به عنوان انتشار خود به خود شناخته می شود. در طی این فرآیند، انرژی جذب شده توسط یک اتم باعث می شود که الکترون های اتم برای مدت کوتاهی به سطح انرژی بالاتری بپرند و سپس به حالت اولیه خود بازگردند. پس از بازگشت الکترون ها به حالت پایه خود، اتم فوتون نوری ساطع می کند.

*گسیل تحریک شده:

فوتون هایی که توسط گسیل خود به خودی تولید می شوند در محیطی حرکت می کنند که در حفره تشدیدگر لیزری بین دو آینه قرار دارد. یک آینه بازتابنده است تا فوتون ها را در محیط حرکت دهد، بنابراین آنها به انتشار گسیل های تحریک شده ادامه می دهند، و آینه دیگر تا حدی انتقال دهنده است تا به برخی فوتون ها اجازه فرار بدهد. گسیل تحریک‌شده فرآیندی است که در آن یک فوتون (یعنی فوتون فرودی) اتمی را تحریک می‌کند که از قبل در سطح انرژی بالاتری قرار دارد. این برهمکنش اتم تحریک شده را مجبور می کند تا با گسیل یک فوتون دوم با همان طول موج ثابت با فوتون فرود، به حالت پایه خود بیفتد.

فرآیند انتشار یک فوتون، گسیل فوتون دیگر، قدرت و شدت پرتو نور را تقویت می کند. بنابراین انتشار تحریک شده فوتون های نور (یعنی نوعی تابش الکترومغناطیسی) باعث تقویت نور می شود. به عبارت دیگر، تقویت نور با انتشار تحریک شده تابش. فوتون های نادرست در رزوناتور از طریق آینه نیمه انتقال دهنده بدون انعکاس به محیط عبور می کنند و پرتو لیزر اولیه را ایجاد می کنند. پس از تولید، پرتو وارد سر برش لیزر شده و توسط آینه ها به عدسی فوکوس هدایت می شود.

تمركز پرتو

لنز فوکوس پرتو لیزر را از طریق مرکز نازل در انتهای سر برش لیزر که برخورد می کند به سطح قطعه کار متمرکز می کند. با فوکوس کردن پرتو، عدسی انرژی پرتو را در نقطه کوچکتری متمرکز می کند که شدت پرتو را افزایش می دهد. معادله زیر اصل اساسی پشت این اتفاق را نشان می دهد:

جایی که P نشان دهنده قدرت پرتو لیزر اولیه و πr2 نشان دهنده سطح مقطع پرتو است. همانطور که لنز پرتو لیزر را متمرکز می کند، شعاع rپرتو کاهش می یابد. این کاهش شعاع، سطح مقطع را کاهش می دهد، که به نوبه خود شدت آن را افزایش می دهد زیرا اکنون قدرت آن در سطح کوچکتری توزیع می شود.

گرمایش و ذوب موضعی و خروج مواد

همانطور که پرتو به سطح ماده برخورد می کند، مواد تشعشع را جذب می کند و انرژی داخلی را افزایش می دهد و گرما تولید می کند. شدت بالای پرتو لیزر به آن اجازه می دهد تا یک ناحیه موضعی از سطح قطعه کار را گرم، ذوب و تا حدی یا به طور کامل تبخیر کند. ضعیف شدن و حذف ناحیه آسیب دیده مواد، برش های مورد نظر را تشکیل می دهد. برش لیزری از چندین نوع مکانیزم برش و حذف مواد استفاده می کند، از جمله برش ذوبی، برش تخریب شیمیایی، برش تبخیر، خط کشی و برش اکسیداسیون.

– برش فیوژن:

که به آن برش مذاب گاز بی اثر یا برش گاز بی اثر نیز گفته می شود، برش فیوژن توسط دستگاه های برش لیزر CO2 استفاده می شود. پرتو لیزر تولید شده توسط دستگاه برش قطعه کار را ذوب می کند و مواد ذوب شده توسط یک جت گاز کمکی به کار رفته از ته قفسه خارج می شود. گاز کمکی و فشار گاز کمکی به کار گرفته شده به نوع ماده بریده شده بستگی دارد، اما گاز بی اثر همیشه بر اساس عدم واکنش شیمیایی آن نسبت به ماده انتخاب می شود. این مکانیزم برای برش اکثر فلزات و ترموپلاستیک ها مناسب است.

– تخریب شیمیایی:

تجزیه شیمیایی توسط دستگاه های برش لیزر CO2 استفاده می شود و برای برش لیزری پلیمرهای گرماسخت و مواد آلی مانند چوب مناسب است. از آنجایی که مواد ترموست و آلی در هنگام اعمال گرما ذوب نمی شوند، پرتو لیزر در عوض مواد را می سوزاند و به کربن و دود تبدیل می کند.

– برش تبخیری:

برش تبخیری توسط دستگاه های برش لیزر CO2 استفاده می شود و به دلیل نزدیک بودن نقطه ذوب و جوش برای موادی مانند اکریلیک و پلی استال برش لیزری مناسب است. از آنجایی که لیزر تبخیر مواد در طول برش تبخیر می شود، لبه تولید شده به طور کلی براق و صیقلی است.

– خط كشي:

خط کشی توسط دستگاه های برش لیزر CO2 و Nd:YAG برای ایجاد شیارها یا سوراخ هایی با نفوذ جزئی یا کامل، معمولاً بر روی سرامیک ها یا تراشه های سیلیکونی استفاده می شود. این شیارها و سوراخ ها امکان شکستن مکانیکی در امتداد خطوط ساختاری ضعیف شده را فراهم می کنند.

– برش اکسیداسیون:

که به آن برش اکسیژن شعله نیز گفته می شود، برش اکسیداسیون توسط دستگاه های برش لیزر CO2 و Nd:YAG استفاده می شود و برای برش لیزری فولادهای نرم و کربنی مناسب است. برش اکسیداسیون یکی از نمونه‌های مکانیزم برش مذاب گاز راکتیو است که به طور خاص از گازهای کمکی واکنش‌پذیر شیمیایی استفاده می‌کند. همانطور که از نامش پیداست، برش اکسیداسیون از اکسیژن به عنوان گاز کمکی استفاده می کند که به طور گرمازایی با مواد واکنش می دهد. گرمای تولید شده فرآیند برش را تسریع می‌کند. یک لبه مذاب اکسید شده تولید می‌کند. که می‌تواند به راحتی توسط یک جت گاز حذف شود تا لبه تمیزتر ایجاد شود.

حرکت پرتو

هنگامی که گرمایش موضعی، ذوب یا تبخیر شروع شد، دستگاه ناحیه حذف مواد را در سراسر قطعه کار حرکت می دهد تا برش کامل ایجاد شود. این دستگاه با تنظیم آینه های بازتابنده، کنترل سر برش لیزری یا دستکاری قطعه کار به حرکت دست می یابد. سه پیکربندی مختلف برای ماشین‌های برش لیزری وجود دارد که با نحوه حرکت یا حرکت پرتو لیزر بر روی مواد تعریف می‌شوند: مواد متحرک، Flying Optics ، و سیستم‌های برش لیزر ترکیبی.-

*مواد متحرک:

دستگاه های برش لیزری مواد متحرک، دارای یک پرتو لیزر ثابت و یک سطح برش متحرک هستند که مواد به آن چسبانده می شود. قطعه کار به صورت مکانیکی در اطراف تیر ثابت حرکت می کند تا برش های لازم ایجاد شود. این پیکربندی اجازه می دهد تا فاصله ایستادن یکنواخت و ثابتی داشته باشد و به اجزای نوری کمتری نیاز دارد.

*Flying Optics :

دستگاه های برش لیزری Flying Optics دارای یک سرمتحرک و یک قطعه کار ثابت هستند. سر برش تیر را روی قطعه کار ثابت در محورهای X و Y حرکت می دهد تا برش های لازم را ایجاد کند. انعطاف‌پذیری دستگاه‌های اپتیک پرنده برای برش مواد با ضخامت و اندازه‌های متغیر و همچنین زمان‌های پردازش سریع‌تر مناسب است. با این حال، از آنجایی که پرتو به طور مداوم در حال حرکت است، طول پرتو در حال تغییر باید در طول فرآیند در نظر گرفته شود. طول پرتو در حال تغییر را می توان با کولیماسیون (هم ترازی اپتیک)، با استفاده از یک محور طول پرتو ثابت، یا استفاده از اپتیک تطبیقی ​​یا سیستم کنترل ارتفاع خازنی که قادر به انجام تنظیمات لازم در زمان واقعی است، کنترل کرد.

 *دستگاه های برش لیزری ترکیبی:

ترکیبی از ویژگی های موجود در مواد متحرک و دستگاه های اپتیک پرنده را ارائه می دهند. این ماشین‌ها دارای یک میز جابجایی مواد هستند که روی یک محور (معمولاً محور X) حرکت می‌کند و یک سر لیزری که روی محور دیگری (معمولاً محور Y) حرکت می‌کند. سیستم‌های هیبریدی در مقایسه با سیستم‌های اپتیک پرنده، امکان تحویل پرتوهای سازگارتر و کاهش تلفات توان و ظرفیت بیشتر در هر وات را فراهم می‌کنند.

لیزرها به صورت پرتوهای پالسی یا پرتوهای موج پیوسته تولید می شوند. مناسب بودن هر کدام به خواص ماده برش داده شده و نیازهای کاربردهای برش لیزری بستگی دارد. پرتوهای پالسی به صورت انفجارهای کوتاه خروجی توان تولید می شوند. در حالی که پرتوهای موج پیوسته به صورت خروجی توان بالا و پیوسته تولید می شوند. نوع اولی معمولاً برای برنامه های برش خط یا تبخیر استفاده می شود و برای برش طرح های ظریف یا سوراخ کردن مواد ضخیم مناسب است، در حالی که دومی برای برنامه های برش با راندمان بالا و سرعت بالا مناسب است.

انواع گازهای کمکی

برش لیزری از انواع گازهای کمکی برای کمک به فرآیند برش استفاده می کند. فرآیند برش به کار گرفته شده و مواد برش داده شده، تعیین کننده نوع گاز کمکی – چه بی اثر یا فعال – است که برای استفاده مناسب است.

– برش گاز بی اثر

(به عنوان مثال، برش ذوب یا برش مذاب گاز بی اثر)، همانطور که در نام مشخص است، از گازهای کمکی بی اثر شیمیایی استفاده می کند. گاز کمکی خاص مورد استفاده به خواص واکنشی ماده بستگی دارد. به عنوان مثال، از آنجایی که ترموپلاستیک های مذاب با نیتروژن و اکسیژن واکنش نمی دهند، هوای فشرده می تواند به عنوان گاز کمکی هنگام برش چنین موادی استفاده شود. از سوی دیگر، از آنجایی که تیتانیوم مذاب با نیتروژن و اکسیژن واکنش می دهد، آرگون – یا گاز بی اثر شیمیایی مشابه دیگری – باید به عنوان گاز کمکی در کاربردهای برش لیزری که شامل این ماده است استفاده شود. هنگام برش فولاد ضد زنگ از طریق فرآیند برش گاز بی اثر، نیتروژن معمولاً به عنوان گاز کمکی استفاده می شود. این به این دلیل است که فولاد ضد زنگ مذاب با اکسیژن واکنش شیمیایی می دهد.

 

– برش گاز فعال

هنگامی که مواد برش لیزری از طریق فرآیند برش مذاب واکنشی، یک گاز کمک فعال (یعنی واکنش شیمیایی) – معمولاً اکسیژن – برای تسریع فرآیند برش استفاده می شود. در حالی که در برش گاز بی اثر، مواد تنها با قدرت لیزر گرم، ذوب و تبخیر می شوند، در برش گاز راکتیو واکنش بین گاز کمکی و ماده باعث ایجاد گرمای اضافی می شود که به فرآیند برش کمک می کند. به دلیل این واکنش گرمازا، برش گاز راکتیو معمولاً به سطوح توان لیزر کمتری برای برش مواد در مقایسه با سطح توان لازم هنگام برش مواد مشابه از طریق فرآیند برش گاز بی اثر نیاز دارد.

 

فشار برش گاز کمکی مورد استفاده نیز با فرآیند برش به کار رفته و خواص و ضخامت ماده برش‌شده تعیین می‌شود. به عنوان مثال، پلیمرها معمولاً به فشار جت گاز 2-6 بار در طول فرآیند برش گاز بی اثر نیاز دارند. در حالی که فولاد ضد زنگ به فشار جت گاز 8-14 بار نیاز دارد. بر این اساس، مواد نازک‌تر نیز عموماً به فشار کمتری نیاز دارند و مواد ضخیم‌تر معمولاً به فشار بیشتری نیاز دارند. در برش اکسیداسیون برعکس این موضوع صادق است.یعنی هر چه ماده ضخیم تر باشد، فشار مورد نیاز کمتر می شود. هر چه ماده نازک تر باشد، فشار مورد نیاز بیشتر می شود.

 

انواع دستگاه های برش لیزری

انواع مختلفی از دستگاه های برش موجود است که به لیزرهای گازی، مایع و جامد دسته بندی می شوند. که بر اساس وضعیت محیط لیزر فعال – یعنی اینکه آیا این محیط یک ماده گاز، مایع یا جامد است – و اینکه محیط لیزر فعال از چه چیزی تشکیل شده است (به عنوان مثال CO2، Nd:YAG و غیره) متمایز می شوند. دو نوع اصلی لیزرهای مورد استفاده عبارتند از CO2 و لیزرهای حالت جامد.

1- ليزرهاي گازي:

یکی از رایج ترین لیزرهای حالت گازی، لیزر CO2 از مخلوط دی اکسید کربن به عنوان محیط لیزر فعال استفاده می کند. لیزرهای CO2 معمولاً برای برش مواد غیر فلزی استفاده می‌شوند زیرا مدل‌های اولیه به اندازه کافی برای برش فلزات قدرتمند نبودند. فناوری لیزر از آن زمان به گونه ای تکامل یافته است که لیزرهای CO2 را قادر می سازد تا فلزات را برش دهند، اما لیزرهای CO2 هنوز برای برش از طریق غیر فلزات و مواد آلی (مانند لاستیک، چرم، یا چوب) و به سادگی حکاکی فلزات یا سایر مواد سخت مناسب تر هستند. لیزرهای نیتروژن خالص یکی دیگر از لیزرهای رایج حالت گازی هستند. این لیزرها برای کاربردهایی استفاده می‌شوند که نیاز به اکسید شدن مواد در هنگام برش دارند.

2- ليزرهاي حالت جامد:

انواع مختلفی از لیزرهای حالت جامد در دسترس هستند، از جمله لیزرهای کریستال و فیبر. لیزرهای کریستالی از انواع محیط‌های کریستالی مانند گارنت آلومینیوم ایتریوم دوپ شده با نئودیمیم (Nd:YAG) یا ارتووانادات ایتریم دوپ شده با نئودیمیم (Nd:YVO4) استفاده می‌کنند. که امکان برش لیزری فلزات و غیرفلزی با قدرت بالا را فراهم می‌کنند. اگرچه لیزرهای کریستال از نظر قابلیت های برش مواد همه کاره هستند، اما معمولاً لیزرهای کریستال گران تر هستند. و طول عمر کمتری نسبت به انواع دیگر لیزرها دارند. لیزرهای فیبر جایگزین ارزان‌تر و ماندگارتري برای لیزرهای کریستالی هستند. این نوع لیزر ابتدا یک پرتو از طریق یک سری دیود لیزر ایجاد می کند که سپس از طریق فیبرهای نوری كه منتقل می شود، تقویت می شود و بر روی قطعه کار متمرکز می شود تا برش های لازم را انجام دهد.

ملاحظات دستگاه برش لیزری

همانطور که در بخش قبل توضیح داده شد، نوع لیزر مناسب برای کاربرد برش لیزر تا حد زیادی با مواد برش داده شده تعیین می شود. با این حال، ملاحظات دیگری ممکن است در هنگام انتخاب و راه‌اندازی دستگاه در نظر گرفته شود. برای یک کاربرد خاص، مانند پیکربندی دستگاه، توان لیزر، طول موج، حالت زمانی، حالت مکانی و اندازه نقطه کانونی.

توان لیزر:

توان لیزر یا وات می تواند کل زمان پردازش را برای یک برنامه برش افزایش یا کاهش دهد. این اتفاق به دلیل افزایش شدت پرتو با افزایش توان لیزر است (چگالی توان (Intensity) = P/πr2). قیمت دستگاه معمولاً به قدرت لیزر بستگی دارد. هرچه لیزر قوی تر باشد، تجهیزات گران تر است. بنابراین تولیدکنندگان و کارگاه‌ها هنگام انتخاب دستگاه لیزر بر اساس توان لیزر، باید تعادلی بین هزینه‌های پردازش و هزینه‌های تجهیزات پیدا کنند.

طول موج:

طول موج پرتو لیزر، طول فضایی یک چرخه کامل ارتعاش برای فوتون درون پرتو است. و تا حدی میزان جذب تشعشع ماده را تعیین می‌کند، که به ماده اجازه می‌دهد تا گرم، ذوب و تبخیر شود تا برش‌های لازم را ایجاد کند.

حالت پرتو:

حالت به نحوه توزیع شدت پرتو لیزر در سطح مقطع پرتو اشاره دارد. این حالت بر اندازه نقطه کانونی پرتو و شدت پرتو تأثیر می گذارد که به نوبه خود بر کیفیت برش تأثیر می گذارد. به طور معمول، حالت بهینه دارای یک توزیع شدت (TEM00) است.

نقطه کانونی:

پرتو از طریق یک عدسی یا یک آینه تخصصی هدایت می شود و به نقطه کوچکی با شدت بالا متمرکز می شود. نقطه ای که قطر پرتو در آن کوچکترین است، نقطه کانونی یا کانون نامیده می شود. موقعیت بهینه فوکوس برای کاربرد برش لیزری به عوامل مختلفی  بستگی دارد. از جمله خواص و ضخامت ماده، شکل و حالت پرتو، نوع گاز کمکی و وضعیت لنز کانونی.

 

 

بهینه سازی پارامتر برای برش لیزری CO2 کامپوزیت چوب پلیمری (WPC)

کامپوزیت های پلیمری چوب  (WPC) به دلیل ظاهر و دوام چوب مانندی که دارند به طور گسترده ای در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می گیرند که آن را جایگزین مناسبی برای چوب در دکوراسیون داخلی می کند. این مطالعه شامل برش WPC (20٪ چوب) به ضخامت 8 میلی متر با استفاده از دستگاه برش لیزر CO2 (برش لیزری چوب) است و به بهترین پارامتر برای بدست آوردن بهترین برش مي رسيم. دستگاه برش لیزری مورد استفاده در این آزمایش دارای توان 50 وات است و روش های آزمایشی شامل تنظیم توان متغیر از 60٪ – 80٪ است. ارتفاع نازل نیز از 4 میلی متر تا 6 میلی متر و سرعت برش از 2 تا 4 میلی متر بر ثانیه متغیر بود. مواد برش با در نظر گرفتن قرائت از پهنای بالای برش تجزیه و تحلیل شد. سپس بهترین پارامتر برای برش پانل های چوبی تزئینی استفاده می شود که شبیه کنده کاری های چوبی سنتی مالایی (papan pemanis) برای نصب در خانه ها هستند. از طریق تجزیه و تحلیل، در مجموع 10 راه حل تولید می شود که کیفیت برش خوبی را تولید می کند.

1) مقدمه

 

این مطالعه به منظور انطباق یک فناوری جدید برای سنت قدیمی کنده کاری روی چوب که یک دکوراسیون داخلی و خارجی بسیار محبوب خانه (papan pemanis)  بوده است، انجام شد. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است. برای ساخت طرح های تکراری استفاده می شد که سپس بر روی دیوارها یا نرده ها نصب می شود. ایده این مطالعه جایگزینی بلوک های چوبی سنتی با کامپوزیت های پلیمری چوب  (WPC) است و با استفاده از دستگاه برش لیزر CO2 ماشین کاری می شود.

مطالعات قبلی بسیاری وجود دارد [2] که در مورد برش لیزر CO2 و بهینه سازی پارامترهای آن ذکر شده است و بنابراین می توان از این تکنیک ها برای مطالعه پارامتر فرآیند برش WPC با استفاده از دستگاه برش لیزر CO2 استفاده کرد. رایج ترین پارامترهای مورد مطالعه عبارتند از طراحی نازل، تغییرات در سرعت گاز محافظ، سرعت برش، نوع گاز محافظ و پیکربندی کانونی [2].

 

 

2) روش شناسی

 

تعداد کل پارامترهایی که معمولاً برای برش لیزری مورد مطالعه قرار می گیرند در تحقیقات مختلف متفاوت است و این می تواند به دلیل منابع موجود محدود باشد. برای این مطالعه تنها سه عامل در نظر گرفته شده است که عبارتند از قدرت لیزر، سرعت برش و ارتفاع نازل. تکنیک مورد استفاده برای این آزمایش از تحقیقات قبلی اقتباس شده است که به بررسی اثرات فردی و همچنین بررسی رابطه بین چندین عامل متغیر می پردازد و این تکنیک را روش سطح پاسخ (RSM) می نامند. از تجزیه و تحلیل آماری برای استنباط مقادیر بهینه عوامل برای دریافت بهترین پاسخ بر اساس نیاز استفاده می کند.

2.1. پارامترهای برش لیزری

تکنولوژی برش لیزری به دلیل کارایی و مکانیزم کاربر پسند برای تامین صنایع مختلف در حال توسعه است. از آن برای برش از فلزات و همچنین مواد چوبی مانند تخته فیبر با چگالی متوسط MDF)) استفاده می شود [2]( برش لیزری چوب ). هنگامی که یک صنعت مختلف این تکنیک ماشینکاری را اتخاذ می کند، توجه مناسب به پارامترهای برش لیزری داده می شود و این امر استفاده از ماشینکاری برش لیزر را بیشتر گسترش می دهد. مطالعات قبلی اهمیت پارامترهای فرآیند مانند توان لیزر، سرعت برش و گاز محافظ را برای تعیین کیفیت برش برای مواد مختلف شناسایی کرده‌اند [3]. به غیر از آن، طراحی نازل و سرعت گاز محافظ نیز می تواند عامل مهمی برای مواد خاصی مانند ام دی اف باشد. همچنین برخی از عوامل پیشرفته وجود دارد که باید برای جزئیات پیچیده مانند قطر لکه پرتو، هدایت حرارتی، بازتاب مواد قطعه کار و برهمکنش بین عوامل مختلف مورد بررسی قرار گیرند [5]. با این حال، در این مطالعه، ما فقط بر قدرت لیزر، سرعت برش و ارتفاع نازل تمرکز خواهیم کرد.

• 2.1.1. قدرت لیزر. قدرت لیزر به دلیل گرمای شدید تولید شده در حین ماشین کاری بر کیفیت سطح اثر مستقیم دارد. یکی از عملکردهای گاز کمکی حذف مواد مذاب قبل از انجماد است اما این کار باید همزمان با قدرت لیزر مناسب کار کند. مطالعات قبلی نشان داده‌اند که زبری سطح عموماً با قدرت لیزر بالاتر افزایش می‌یابد [3، 6]. تنظیم نادرست توان لیزر همچنین باعث افزایش عرض اسکلت می شود و باعث ایجاد قطر سوراخ بزرگتر و همچنین خطوط نامنظم تر می شود.
• 2.1.2. سرعت برش . برای ضخامت معینی از مواد، طیفی از سرعت برش شامل مقدار بهینه بر اساس کیفیت برش وجود دارد. سرعت برش نیز یک متغیر اقتصادی مهم است زیرا سرعت برش بالاتر زمان چرخه کمتری را نتیجه می‌دهد و بنابراین هزینه واحد را کاهش می‌دهد. نشان داده شده است که اتلاف انرژی در ناحیه برش را می توان با افزایش سرعت برش کاهش داد و در نتیجه فرآیند کارآمدتری ایجاد کرد [3]. به طور مشابه، هنگامی که یک ماده ضخیم تر برش داده می شود، سرعت برش باید کاهش یابد و باعث هدر رفتن انرژی بیشتری در منطقه برش شود. سطوح اتلاف انرژی حرارتی از ناحیه برش در بیشتر موارد، با افزایش ضخامت مواد همراه با کاهش سرعت برش، به سرعت افزایش می‌یابد [7].

• 2.1.3. ارتفاع نازل. بسیاری از انواع طراحی نازل در واقع از صنایعی اقتباس شده اند که شامل دینامیک گاز است. طراحی مناسب نازل باید جریان بدون ضربه و همچنین سهولت ساخت را فراهم کند. نازل هایی وجود دارند که دارای قسمت انقباض شکل و یک قسمت گلویی صاف هستند که می توانند جریانی کاملاً بدون ضربه ایجاد کنند، اما به دلیل هزینه بالا غیرعملی هستند زیرا تا سال 2008 هیچ تکنیک تولید انبوهی وجود نداشت [6]. ارتفاع نازل نیز حائز اهمیت است زیرا ارتفاع نامناسب باعث ایجاد سوراخ به سمت قسمت پایین قطعه کار می شود [8].

2.2. مواد

کامپوزیت چوب پلیمری (WPC) محصول نسبتا جدیدی است که در مقایسه با چوب و الوار تجاری در صنایع مختلف به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد [9]. WPC جایگزین بهتری است زیرا سازگارتر با محیط زیست است و نیاز به نگهداری کمتری دارد. این کیفیت باعث تقاضای شرکت های متخصص در ساخت WPC برای کاربردهای خانگی شده است. WPC از مخلوط کردن ذرات چوب آسیاب شده با رزین ترموپلاستیک انتخابی و سپس اکسترود برای تولید محصول نهایی با ابعاد و طرح دلخواه ساخته می شود. هدف اصلی این مطالعه تولید پاپان پمانیس، یک زیور چوب سنتی با استفاده از WPC و ماشینکاری با دستگاه برش لیزری چوب CO2 است.

 

2.3. طراحی آزمایش

طرح آزمایش مورد استفاده برای این آزمایش، طرح مرکب مرکزی با آلفا 1 و صورت محور بود. از طریق این DOE در مجموع 20 تعداد اجرا به دلیل 3 عامل متغیر و 1 پاسخ فردی وجود داشت. جدول 1 عوامل و پاسخ مربوط به اصطلاحات تجربی را نشان می دهد.

 

	No	Statistical term	Experimental term		Levels
				-1	0	+1
	1	Factor A	Laser power (%)	60	70	80
	2	Factor B	Cutting speed (mm/s)	2	3	4
	3	Factor C	Nozzle height (mm)	4	5	6
	4	Response	Top kerf width

3) نتایج و بحث

کلیه داده هایی که پس از فرآیند برش ثبت شده اند، قبل از تجزیه و تحلیل با استفاده از یک نرم افزار آماری به روشی به نام روش سطح پاسخ (RSM) در جدولی ثبت شدند. تجزیه و تحلیل شامل مطالعه رابطه بین پارامترهای مختلف، یعنی سرعت برش، قدرت لیزر و ارتفاع نازل بود. رابطه بین پارامترهای فردی با کیفیت برش ابتدا قبل از به دست آوردن رابطه پیوسته چند پارامتر با کیفیت برش مورد مطالعه قرار گرفت.

تمام داده های خام ابتدا قبل از ادامه تجزیه و تحلیل داده ها در جدول 2 گنجانده شد.

 

	Runs	Factor	Factor	Factor	Response	Runs	Factor	Factor	Factor	Response
		A	B	C			A	B	C
	1	60	2.00	6.00	1.269	11	70	4.00	5.00	1.121
	2	70	3.00	5.00	0.699	12	60	2.00	4.00	1.352
	3	80	4.00	4.00	1.048	13	80	2.00	6.00	1.502
	4	80	3.00	5.00	0.689	14	70	3.00	5.00	0.653
	5	70	3.00	5.00	0.813	15	70	3.00	6.00	0.818
	6	80	4.00	6.00	1.111	16	70	2.00	5.00	1.441
	7	70	3.00	5.00	0.855	17	80	2.00	4.00	1.460
	8	70	3.00	5.00	0.615	18	60	3.00	5.00	0.504
	9	70	3.00	4.00	0.665	19	60	4.00	4.00	0.720
	10	60	4.00	6.00	0.715	20	70	3.00	5.00	0.727

 

 

3.1. تحلیل و بررسی

مرحله بعدی آنالیز واریانس (ANOVA) است که از طریق آن می‌توان اثر خطی و درجه دوم هر یک از عوامل دخیل در این آزمایش را مشاهده کرد. از طریق این تجزیه و تحلیل، ما همچنین می توانیم با مشاهده مقدار P تشخیص دهیم که آیا عوامل برای پاسخ مهم هستند یا نه. هر مقدار زیر 0.05 معنی دار در نظر گرفته می شود و بالعکس. با این حال، در پایان این تحلیل تنها از عوامل معنی دار در معادله کلی استفاده می شود، زیرا عواملی که معنی دار نیستند به طور کلی تأثیر چندانی بر پاسخ ندارند. شکل 2 جدول ANOVA اصلاح شده را بدون فاکتورهایی که قابل توجه نیستند نشان می دهد.

 

از این جدول می بینیم که فاکتورها از طریق تعامل بر داده ها تأثیری ندارند. فاکتور C، ارتفاع نازل، تاثیری بر پهنای قسمت بالای این ماده ندارد. فاکتور A و B اثر قابل توجهی دارند و همچنین اثر درجه دوم بر روی پهنای کرف بالایی دارند. شکل 3 به صورت گرافیکی نشان می دهد که چگونه قدرت لیزر و سرعت برش بر روی پهنای صفحه اصلی WPC تأثیر می گذارد.

 

 

اکنون می‌توانیم معادله کلی را به دست آوریم که تنها با در نظر گرفتن فاکتورهای مهم می‌توان از آن برای تخمین مقدار عرض بالای صفحه استفاده کرد. بنابراین، معادله نهایی بر حسب فاکتورهای کدگذاری شده به صورت زیر بدست می آید:

R1 = 0.73 + 0.13A – 0.23B – 0.13A2 + 0.55B2

که در آن R1 پاسخ (عرض لبه بالایی)، A و B عوامل A و B هستند که به ترتیب قدرت لیزر و سرعت برش هستند.

3.2. بهينه سازي

با تمام تجزیه و تحلیل های انجام شده، اکنون می توانیم بهینه سازی عددی فاکتورها را ایجاد کنیم که از نظر تئوری کیفیت برش بهینه را برای مواد WPC با استفاده از این دستگاه برش لیزر CO2 ( برش لیزری چوب )تضمین می کند. 10 راه حل تولید شده است که مقادیر فاکتورها را نشان می دهد. جدول 4 تمام راه حل های ممکن تولید شده را نشان می دهد.

 

No.	Laser power	Cutting speed	Nozzle height
	(%)	(mm/s)	(mm)
1	77.08	3.84	4.36
2	65.50	2.29	4.50
3	74.28	3.44	5.60
4	77.67	2.59	5.39
5	65.51	3.18	5.44
6	79.17	2.65	5.17
7	68.15	3.18	4.39

 

 

8	61.67	2.67	4.56
9	69.60	3.73	5.99
10	71.60	3.85	5.96

4) نتیجه گیری

از این مطالعه، می‌توان نتیجه گرفت که با توجه دقیق به پارامترهای درگیر در ماشینکاری، می‌توان WPC را با استفاده از دستگاه برش لیزر CO2 ( برش لیزری چوب ) ماشین‌کاری کرد. از طریق این فرآیند بهینه سازی پارامتر، ما قادر به شناسایی بهترین پارامتری هستیم که باید تنظیم شود تا بهترین کیفیت برش را بدست آوریم، که ما را قادر می سازد تا استفاده از WPC را در صنعت دکوراسیون داخلی خانه افزایش دهیم. به طور خاص، اکنون می‌توانیم حکاکی روی چوب سنتی مالایی را تولید کنیم، که معروف به «papan pemanis» است که قبلاً با استفاده از چوب از طریق فرآیند پیچیده‌ای که نیاز به مهارت‌های انسانی سطح بالایی دارد، ساخته می‌شد.

 

منابع

 

[1] N. Utaberta، S. D. M. Sojak، M. Surat، A. I. Che-Ani و M. M. Tahir. مجله بین المللی عمران، علوم و مهندسی معماری جلد: 6 شماره: 7، 2012

 

[2] K.C.P. لوم، اس.ال. Ng, I. برش لیزری سیاه و سفید, CO2 MDF 1. تعیین تنظیمات پارامتر فرآیند. اپتیک و فناوری لیزر 32 (2000) 67-76

 

[3] آوانیش کومار دوبی، وینود یادوا. ماشینکاری پرتو لیزر – بررسی. International Journal of Machine Tools & Manufacture 48 (2008) 609-628

[4] جان سی آیون (2005). پردازش لیزری مواد مهندسی (چاپ اول، ص 589). آکسفورد، انگلستان: الزویر باترورث-هاینمن.

 

[5] فلاویانا تاگلیافری. مطالعه تاثیر پارامترهای لیزر بر فرآیندهای ماشینکاری به کمک لیزر Procedia CIRP 8 (2013) 170-175

 

[6] KJ. Muralidhara (2008) مطالعه ای در مورد برش لیزر CO2 فولاد نرم و بهینه سازی متغیرهای فرآیند.

 

[7] Wandera, C., Salminen, A., Olsen, F.O., & Kujanpaa, V. (2006). برش فولاد ضد زنگ با فیبر و لیزر دیسک. در بیست و پنجمین کنگره بین المللی کاربرد لیزر و الکترواپتیک (صص 211-220). موسسه لیزر آمریکا

 

[8] K. Huehnlein، K. Tschirpke، R. Hellmann. بهینه سازی فرآیندهای برش لیزری با استفاده از طراحی آزمایشات Physics Procedia 5 (2010) 243-252

 

[9] دنیس اورتیگوسا استولف، رانسیسکو آنتونیو روکو لاهر. (2004) کامپوزیت چوب-پلیمر: خواص فیزیکی و مکانیکی برخی از گونه های چوب آغشته به استایرن و متیل متاکریلات. تحقیقات مواد، جلد. 7، شماره 4، 611-617، 2004

چکیده

برش لیزری یکی از پرکاربردترین فرآیندهای ماشینکاری بدون تماس مبتنی بر انرژی حرارتی است که تقریباً برای طیف وسیعی از مواد قابل استفاده است. کیفیت لبه های برش و هزینه عملیاتی تحت تأثیر توان لیزر، سرعت برش، فشار گاز کمکی، قطر نازل و موقعیت نقطه فوکوس و همچنین مواد قطعه کار است.

برای اینکه لیزر یک پرتو نور تولید کند، اتم های نیتروژن باید با آزاد کردن انرژی به شکل فوتون حالت برانگیخته خود را از دست بدهند. این زمانی اتفاق می‌افتد که اتم‌های نیتروژن برانگیخته با اتم‌های بسیار سرد هلیوم تماس پیدا می‌کنند، که باعث می‌شود نیتروژن نور آزاد کند. نور تولید شده در مقایسه با نور معمولی بسیار قدرتمند است زیرا لوله گازها توسط آینه هایی احاطه شده است که بیشتر قسمت نوری را که از طریق لوله عبور می کند منعکس می کند. این انعکاس نور باعث می‌شود که امواج نوری که توسط نیتروژن تولید می‌شوند شدت پیدا کنند. نور با عبور از لوله به جلو و عقب افزایش می‌یابد، و تنها پس از روشن شدن به اندازه کافی برای عبور از آینه نیمه بازتابنده بیرون می‌آید.

مقدمه

لیزر که مخفف عبارت Light Amplification by Stimulated Emission of radiation است، یک دستگاه الکتریکی-اپتیکی است که تشعشع منسجمی تولید می کند. به زبان ساده، لیزر وسیله ای است که یک پرتو باریک و شدید از نور منسجم را ایجاد و تقویت می کند. امروزه لیزر به طور گسترده در صنعت امروزی کاربرد دارد. لیزرها به طور گسترده در صنعت برای برش و سوراخ کردن فلزات و سایر مواد، در پزشکی برای جراحی، و در ارتباطات، تحقیقات علمی و هولوگرافی استفاده می شود.

آنها بخشی جدایی ناپذیر از دستگاه های آشنا مانند اسکنر بارکد مورد استفاده در سوپرمارکت ها، اسکنرها، چاپگرهای لیزری و پخش کننده های دیسک فشرده هستند. یکی از سیستم های لیزری که در صنعت لیزر تجاری تسلط دارد، سیستم های لیزر CO2 است. در کاربردهای مختلف برش و علامت گذاری نقاط قوت خاص خود را دارد.

 برش لیزری

برش لیزری فرآیندی است که از یک لیزر پرقدرت برای برش و حکاکی موادی مانند فلز، پلاستیک، چوب و شیشه استفاده می‌کند. این فرآیند بسیار دقیق است و می تواند اشکال و الگوهای پیچیده ای ایجاد کند. این روش در طیف وسیعی از صنایع، از خودروسازی گرفته تا جواهرسازی استفاده می شود. این دستگاه به دلیل سرعت و دقت آن محبوب است و می توان از آن برای ایجاد اشکال و طرح های پیچیده استفاده کرد که دستیابی به آنها با روش های سنتی برش دشوار است. فرآیند برش لیزر با پرتو لیزری که بر روی مواد متمرکز می شود آغاز می شود. پرتو در یک الگوی تعیین شده توسط یک برنامه طراحی به کمک کامپیوتر (CAD) در سراسر مواد حرکت می کند. همانطور که پرتو حرکت می کند، مواد را ذوب می کند، می سوزاند یا بخار می کند و یک برش یا حکاکی دقیق ایجاد می کند. پرتو لیزر معمولاً توسط یک لیزر صنعتی تولید می شود که با برق یا گاز تغذیه می شود.

برش لیزری مزایای متعددی نسبت به روش های برش سنتی دارد. این روش بسیار سریع‌تر و دقیق‌تر از روش‌های دیگر است و می‌تواند طرح‌های پیچیده‌ای را با درجه بالایی از جزئیات ایجاد کند. برش لیزری همچنین لبه ای تمیز و صاف را ایجاد می کند که عاری از خراش یا لکه های زبر است. علاوه بر این، از برش لیزری می توان برای ایجاد اشکال پیچیده استفاده کرد که دستیابی به آنها با روش های سنتی دشوار است.

ولی با وجود مزایایی که دارد معایبی نیز دارد. این فرآیند گران است و به تجهیزات تخصصی نیاز دارد و آن را برای بسیاری از علاقه‌مندان و مشاغل کوچک دور از دسترس می‌کند. علاوه بر این، برش لیزر دود و گرد و غبار خطرناک تولید می کند، بنابراین باید در یک منطقه تهویه مناسب انجام شود. در نهایت، این روش به مواد خاصی محدود می شود، بنابراین ممکن است برای پروژه های خاص مناسب نباشد. به طور کلی، برش لیزری یک فرآیند بسیار دقیق است که در طیف گسترده ای از صنایع استفاده می شود. این دستگاه می تواند اشکال و طرح های پیچیده ای تولید کند که دستیابی به آنها با روش های سنتی دشوار است و سرعت آن نسبت به سایر روش های برش بسیار بیشتر است. با این حال، گران است و دود خطرناکی تولید می کند، بنابراین باید در یک منطقه با تهویه مناسب انجام شود.

روش کار دستگاه برش لیزر

این فرآیند به این صورت است که یک پرتو لیزر متمرکز و دقیق از موادی که به دنبال برش آن هستید عبور می کند و یک پوشش دقیق و صاف را ارائه می دهد. در ابتدا از لیزر برای سوراخ کردن مواد با سوراخی در لبه استفاده می شود و سپس پرتو از آنجا ادامه می یابد. لیزر مورد استفاده اساساً موادی را که از بین می رود ذوب می کند، بنابراین بیشتر شبیه ذوب شدن است تا برش. این بدان معناست که به راحتی می تواند مواد سبک مانند پارچه را تا فلزات و سنگ های قیمتی سخت تر مانند الماس را برش دهد.

می‌توانید از پرتو لیزر پالسی یا امواج پیوسته استفاده کنید، که اولی در فواصل کوتاه ارسال می‌شود در حالی که دومی به طور مداوم کار می‌کند. می توانید شدت، طول و گرمای خروجی پرتو را بسته به ماده ای که با آن کار می کنید کنترل کنید و همچنین از یک آینه یا لنز مخصوص برای تمرکز بیشتر پرتو لیزر استفاده می کند. این فرآیند بسیار دقیق است. و سطح بالایی از کنترل به شما ارائه می شود. هنگام استفاده از این فرآیند، می توان شکاف هایی با عرض کوچک به اندازه 0.1 میلی متر ایجاد کرد.

 

 سیستم های لیزر CO2

لیزر CO2 نوعی لیزر گازی است. در این دستگاه الکتریسیته از طریق لوله پر از گاز عبور می کند و نور تولید می کند. انتهای لوله آینه است. یکی از آنها کاملاً بازتابنده است و دیگری که مقداری نور از آن عبور می کند. مخلوط گاز به طور کلی از دی اکسید کربن، نیتروژن، هیدروژن و هلیوم تشکیل شده است. نور تولید شده توسط لیزرهای CO2 نامرئی است و در محدوده مادون قرمز دور طیف نور قرار می گیرد.

هنگامی که توسط جریان الکتریکی تحریک می شود، مولکول های نیتروژن در مخلوط گاز برانگیخته می شوند، به این معنی که انرژی دریافت می کنند. نیتروژن به این دلیل استفاده می شود که می تواند این حالت برانگیخته را برای مدت طولانی بدون تخلیه انرژی به شکل فوتون یا نور حفظ کند. ارتعاشات پرانرژی نیتروژن به نوبه خود مولکول های دی اکسید کربن را تحریک می کند. در این مرحله، لیزر به حالتی به نام وارونگی جمعیت دست می یابد، نقطه ای که در آن سیستم هیجان بیشتری دارد.

نمودار سطح انرژی لیزر CO2

نور CO2 به اندازه کافی قدرتمند است که بتواند بسیاری از مواد از جمله پارچه، چوب و کاغذ را برش دهد. قوی ترین لیزرهای CO2 برای ماشینکاری فولاد و سایر فلزات استفاده می شود. اگرچه پرقدرت ترین لیزرهای CO2 بیش از 1000 وات کار می کنند، لیزرهایی که برای ماشین کاری استفاده می شوند معمولاً بین 25 تا 100 وات هستند. در مقایسه، نشانگرهای لیزری چند هزارم وات هستند. از آنجایی که در مادون قرمز قرار دارد، دارای طول موج بسیار طولانی، حدود 10.6 میکرومتر است. این نور بسیار طولانی تر از نور مرئی است که بین 450 تا 700 نانومتر است. همانطور که لیزرهای پیوسته پیش می روند، نوع CO2 قوی ترین در تولید است.

 انواع روش برش لیزری:

• تبخير – ماده عمدتاً با تبخیر به دلیل شدت بالای تابش لیزر در ناحیه برش برداشته می شود.
• ذوب – مواد توسط یک پرتو لیزر در ناحیه برش ذوب شده و توسط یک گاز کمکی دور می شوند. عمدتاً مواد فلزی با استفاده از این فرآیند برش داده می شوند.
• سوختن- یک پرتو لیزر ماده را تا دمای اشتعال خود گرم می کند، بنابراین می تواند در یک واکنش گرمازا با گاز واکنش پذیر (به عنوان مثال، اکسیژن) بسوزد و سرباره توسط یک گاز کمکی از ناحیه برش خارج می شود. فولادهای تیتانیوم، کم کربن و مقاوم در برابر خوردگی را می توان از این طریق برش داد.