S hitrim razvojem medicinskega, letalskega, vesoljskega, polprevodniškega in energetskega področja se zahteve glede zmogljivosti za ključne komponente nenehno povečujejo, kar je spodbudilo napredek procesne tehnologije in opreme. Na teh področjih je izbira tehnologije rezanja komponent ključnega pomena za kakovost in zmogljivost izdelka. Čeprav se tradicionalne tehnologije mehanskega rezanja in visokotlačnega vodnega rezanja pogosto uporabljajo, lasersko rezanje postopoma postaja prva izbira zaradi svojih prednosti v učinkovitosti obdelave, natančnosti in prijaznosti do okolja. Tehnologija laserskega rezanja neposredno obseva material z visokoenergijskim laserskim žarkom, da doseže visoko natančnost in visoko učinkovitost rezanja. Hkrati med postopkom rezanja ne pride do očitnega fizičnega stika, s čimer se zmanjša onesnaževanje okolja in je v skladu s konceptom zelene proizvodnje.
Tehnologija laserskega rezanja je pokazala svojo superiornost v številnih scenarijih uporabe. Na medicinskem področju, ko moja država vstopa v starajočo se družbo, se je tržno povpraševanje po intravaskularnih stentih povečalo, stopnja rasti trga pa je v zadnjih letih presegla 20 %. Tehnologija laserskega rezanja ima potencial za široko uporabo pri obdelavi intravaskularnih stentov zaradi svoje visoke natančnosti in prilagodljivosti. Vendar pa lahko tradicionalno lasersko rezanje v nekaterih primerih povzroči toplotno poškodbo materiala, zaradi česar se na površini materiala tvorijo drobne pene in toplotno prizadeta plast, kar vpliva na zmogljivost in življenjsko dobo materiala. Da bi premagali te omejitve, se je kot inovativna metoda rezanja pojavila tehnologija vodno vodenega laserskega rezanja. Z uvedbo pretoka vode med postopkom laserskega rezanja lahko učinkovito zmanjša toplotne poškodbe in izboljša kakovost površine rezanega materiala.
Kaj je vodno vodeni laser
Vodno vodena laserska tehnologija rezanja je inovativna metoda obdelave kompozitov, ki uporablja vodni curek za usmerjanje laserskega žarka za natančno rezanje obdelovanca. Bistvo te tehnologije je uporaba različnih značilnosti lomnega količnika vode in zraka. Ko je laserski žarek usmerjen na vmesnik voda-zrak pod določenim kotom, če je vpadni kot manjši od kritičnega kota popolnega odboja, se laserski žarek popolnoma odbije in ne bo prodrl skozi vmesnik, s čimer se zagotovi, da laser energija je učinkovito omejena in prenesena v vodnem žarku.
Laserski žarek najprej fokusira konveksna leča, nato pa gre skozi okence iz kvarčnega stekla v povezano vodno votlino. S fino nastavitvijo razdalje med lečo za ostrenje in luknjičasto šobo je mogoče zagotoviti, da je lasersko žarišče natančno postavljeno na sredino zgornje površine šobe. Nato laserski žarek vstopi v stabilen vodni curek, kjer zaradi razlike v lomnem količniku pride do popolnega odboja, kar je podoben proces kot pri širjenju svetlobe v optičnem vlaknu. Med obdelavo je fokusirani laserski žarek voden z visokotlačnim vodnim žarkom in neposredno prenesen na površino obdelovanca, kar zagotavlja učinkovite in natančne rezultate rezanja.
Prednosti vodno vodenega laserja
Tehnologija laserskega rezanja z vodnim curkom je inovativna metoda obdelave, ki združuje vodne curke in laserske žarke. Široko se uporablja na področju natančne proizvodnje in mikrostrojne obdelave. V primerjavi s tradicionalnim laserskim rezanjem ima vodno vodeno lasersko rezanje več edinstvenih prednosti, zaradi katerih je še posebej dobro v določenih scenarijih uporabe.
Prvič, značilnost laserskega rezanja z vodnim vodenjem je, da se izogne toplotnim poškodbam. Tradicionalno lasersko rezanje lahko zaradi visoke temperature zlahka povzroči toplotno deformacijo materialov in poškodbo mikrostrukture. Pri vodno vodenem laserskem rezanju izbruhani vodni tok učinkovito ohladi material med režo laserskega impulza, kar močno zmanjša toplotno obremenitev materiala in mu omogoči ohranitev prvotnih fizikalnih in kemijskih lastnosti.
Drugič, vodna vlakna imajo med delovanjem veliko delovno razdaljo in ne zahtevajo natančnega fokusiranja laserskega žarka kot tradicionalno lasersko rezanje, kar zagotavlja večjo prilagodljivost pri obdelavi materialov s kompleksno geometrijo. Poleg tega vodni tok ne deluje le kot hladilno sredstvo med postopkom rezanja, temveč tudi odnaša staljeni material, ki nastane med postopkom rezanja, s čimer se občutno zmanjša odlaganje onesnaževal v območju obdelave, kar je še posebej pomembno za okolja obdelave z visoko zahteve glede čistoče.
Ker lahko vodno vodeno lasersko rezanje doseže visoko natančno odstranjevanje materiala, je ta tehnologija še posebej primerna za obdelavo tankostenskih delov in je boljša od tradicionalnih laserskih metod obdelave v smislu natančnosti in kakovosti površine. Z nenehnim napredkom tehnologije naj bi vodno vodeno lasersko rezanje nadomestilo tradicionalno lasersko rezanje na več področjih in postalo učinkovitejša in okolju prijaznejša metoda obdelave.
Tehnične težave in trendi razvoja vodno vodenega laserskega rezanja
1. Dušenje laserja v vodnem žarku: Kot napredna metoda obdelave, ki združuje vodni curek in laser, je vodno vodena laserska tehnologija rezanja pokazala edinstven potencial pri natančni izdelavi. Vendar zaradi velikega dušenja energije laserja v vodi to omejuje njegovo učinkovitost pri aplikacijah z visoko močjo. Natančneje, visokozmogljivi laser z gostoto v vodnem žarku ima veliko oslabitev energije zaradi večkratnega sipanja in absorpcije, kar ima za posledico zmanjšanje hitrosti obdelave. Na primer, pri rezanju kompozitnih materialov iz ogljikovih vlaken debeline 18 mm je hitrost le 5 mm na minuto, kar močno omejuje uporabo te tehnologije pri obdelavi debelih materialov. Čeprav so sedanje raziskave razkrile osnovna načela prenosa laserja v vodi, je kako učinkovito zmanjšati to slabljenje še vedno tehnični problem, ki ga je treba rešiti. V prihodnosti bi lahko razvili dielektrične materiale z boljšimi lastnostmi vodenja svetlobe, ki bi nadomestili vodne žarke, s čimer bi izboljšali učinkovitost rezanja in uporabnost postopka.
2. Izziv miniaturizacije vodnega curka: Pri tehnologiji vodno vodenega laserskega rezanja premer vodnega curka neposredno vpliva na natančnost in širino rezanja. Z razvojem mikroobdelovalne tehnologije se lahko premer šobe zmanjša na 30 mikronov in tako doseže visoko natančnost rezanja. Vendar se nadaljnja miniaturizacija vodnih curkov sooča z vrsto tehničnih izzivov, vključno s stabilnostjo vodnega žarka, efektivno dolžino in nadzorom premera laserske točke. Ta vprašanja ne vplivajo le na učinek rezanja, temveč postavljajo tudi višje zahteve za načrtovanje in izdelavo opreme. Prihodnje raziskave se lahko osredotočijo na optimizacijo zasnove šob in dinamike tekočine za nadaljnje izboljšanje natančnosti rezanja ob ohranjanju stabilnosti vodnega curka.
3. Tehnične zahteve za obdelavo lukenj šob: Da bi zagotovili visoko kakovost vodno vodenega laserskega rezanja, sta projektiranje in natančnost izdelave lukenj šob ključnega pomena. Luknja šobe mora imeti izredno tanko steno, hkrati pa mora ohraniti visoko natančno okroglost in brez zožitve, da se upre udarcu vodnega toka. Poleg tega je treba hrapavost notranje površine luknje nadzirati na izredno nizki ravni, da se zagotovi stabilnost in doslednost vodnega žarka. Zaradi teh zahtevnih konstrukcijskih standardov je obdelava lukenj za šobe izjemno težavna, zlasti v masovni proizvodnji. Kako ohraniti doslednost in natančnost, je ključni izziv, s katerim se sooča proizvodna industrija.
4. Kompleksnost sistema za nadzor poravnave sklopke: V vodno vodenem laserskem rezalnem sistemu natančnost spajanja in poravnave laserskega žarka in vodnega žarka neposredno vplivata na kakovost rezanja. Trenutno, čeprav so bili sprejeti visoko natančni krmilni mehanizmi servo pogona, problem hitrega in natančnega spajanja laserskega in vodnega žarka ni bil popolnoma rešen. Da bi izboljšali natančnost spajanja, je treba uvesti naprednejše sisteme zaznavanja in kalibriranja, kot so sistem za zaznavanje sklopk z vlakni vodnega žarka in lasersko fokusiranje, sistem za pozicioniranje obdelovanca itd. Integracija in optimizacija teh sistemov sta ključna za doseganje visoko natančno vodno vodeno lasersko rezanje.
5. Nezadostne sistematične raziskave procesov: Čeprav je vodno vodena laserska tehnologija v teoriji pokazala številne prednosti, se nadzor procesov še vedno sooča s številnimi izzivi v praktičnih aplikacijah. Trenutno industrija nima popolne tehnologije obdelave in sistema vrednotenja, zaradi česar je težko vzdrževati ključne kazalnike, kot so učinkovitost obdelave, natančnost in celovitost površine materiala. Zaradi pomanjkanja teh raziskav procesa je prilagodljivost tehnologije vodno vodenega laserskega rezanja slaba pri različnih materialih in pogojih debeline. Zato so v prihodnosti potrebne bolj sistematične raziskave procesov za vzpostavitev obsežne knjižnice procesnih parametrov in standardov vrednotenja, da se poveča potencial industrijske uporabe vodno vodene laserske tehnologije.
