01 Tehnična načela in značilnosti
Osnovno načelo vodno{0}}vodenega laserja je združiti laserski žarek v-visokotlačni mikrovodni curek in skozi vodni curek usmeriti laser na površino materiala. V tem sistemu gre laser, ki ga ustvari laserski vir, najprej skozi niz optičnih komponent (kot so leče in zrcala) za kolimacijo in ostrenje, nato pa se združi z visokotlačnim-vodnim curkom skozi posebno šobo. Vodni curek oblikuje majhen kanal v šobi in laserski žarek je voden skozi ta kanal do površine obdelovanca, kot je prikazano na sliki 1. Ker je lomni količnik vode drugačen od indeksa zraka, se pot širjenja laserja v vodi spremeni, zato je potrebna natančna optična zasnova, da se zagotovita stabilnost in energijsko osredotočenost laserskega žarka.
Slika 1. Tehnični princip vodno{1}}vodenih laserjev.
Visoka natančnost: vodno{0}}vodena laserska tehnologija lahko doseže submilimetrsko ali celo mikrometrsko-natančnost obdelave. Ker je premer vodnega curka zelo majhen, običajno le desetine do stotine mikrometrov, je mogoče laserski žarek natančno usmeriti na določene položaje na obdelovancu za fino rezanje, vrtanje ali graviranje. Visoka učinkovitost: Med vodno{4}}vodeno lasersko obdelavo se laserski žarek prenaša neposredno na površino obdelovanca skozi vodni curek, kar zmanjša izgubo energije in razprševanje v zraku. Poleg tega vodni curek zagotavlja tudi učinke hlajenja in splakovanja, s čimer učinkovito zniža temperaturo površine obdelovanca in zmanjša toplotno-prizadeto območje, s čimer izboljša učinkovitost in kakovost obdelave. Zmanjšana toplotna škoda: Zaradi hladilnega učinka vodnega curka je toplotno-območje (HAZ) pri vodno-vodeni laserski obdelavi zelo majhno. Toplotno{11}}območje se nanaša na območje na površini in v notranjosti obdelovanca, kjer pride do toplotne deformacije, poškodbe ali faznih sprememb zaradi prevodnosti toplote in sevanja med lasersko obdelavo. Hitro hlajenje vodnega curka v vodno{13}}vodeni laserski obdelavi hitro odstrani toploto s površine obdelovanca, s čimer se zmanjšata velikost in globina toplotno-prizadete cone ter prepreči toplotna deformacija in poškodbe materiala.
Slika 2. (a) SEM slike rezov iz titanove zlitine, odrezanih z rezanjem s 'konvencionalnim suhim laserjem' in rezanjem z-vodnim laserjem, (b) primerjava rezanih površin CFRP, pridobljenih z rezanjem z-vodnim laserjem in 'konvencionalnim suhim laserskim' rezanjem.
02 Polja uporabe
Področje letalstva: Področje letalstva in vesolja ima zelo visoke zahteve glede natančnosti in kakovosti obdelave materialov, zato se na tem področju široko uporablja-vodna laserska tehnologija. Uporablja se lahko za obdelavo ključnih komponent letalskih motorjev, kot so lopatice, turbinski diski in zgorevalne komore, ki so običajno izdelani iz materialov, ki jih je težko{2}}-obdelati, kot so superzlitine in titanove zlitine. Vod-vodeni laserji lahko te materiale učinkovito režejo in gravirajo, hkrati pa zagotavljajo natančnost obdelave in kakovost površine, s čimer izboljšajo delovanje in zanesljivost komponent. Poleg tega se vodno{7}}vodeni laserji lahko uporabljajo tudi za obdelavo strukturnih delov vesoljskih vozil, kot so krila in trupi, kar omogoča strojno obdelavo kompleksnih oblik in lahkih konstrukcij.
Področje polprevodnikov: V proizvodnji polprevodnikov se vodni -laserji lahko uporabljajo za rezanje polprevodniških materialov, kot so silicijeve rezine, pa tudi za pakiranje in testiranje čipov. Ker polprevodniški materiali zahtevajo izjemno visoko natančnost obdelave in kakovost površine, so vodno{2}}vodeni laserji zaradi visoke natančnosti in nizkih toplotnih poškodb idealno orodje za obdelavo. Lahko dosežejo fino rezanje silicijevih rezin, pri čemer se izognejo razpokam in poškodbam, s čimer izboljšajo izkoristek in zmogljivost čipov. Poleg tega se vodno{5}}vodeni laserji lahko uporabljajo za mikro-obdelavo polprevodniških naprav, kot je izdelava mikroelektronskih komponent in jedkanje mikrovezij, kar zagotavlja natančnost obdelave na mikrometrski ali celo nanometrski ravni.
Novo energetsko polje: V novem energetskem sektorju je mogoče vodno{0}}vodene laserje uporabiti za obdelavo ključnih komponent novih energetskih naprav, kot so sončne celice in gorivne celice. Na primer, pri izdelavi sončnih kolektorjev se vodno{2}}vodeni laserji lahko uporabljajo za rezanje silicijevih rezin in jedkanje vzorcev elektrod na površini sončnih celic, s čimer se poveča učinkovitost fotonapetostne pretvorbe in učinkovitost panelov. Pri proizvodnji gorivnih celic lahko vodno{4}}vodeni laserji obdelujejo komponente, kot so sklopi membranskih elektrod in bipolarne plošče, kar omogoča visoko-natančno rezanje in graviranje ter tako izboljša učinkovitost in življenjsko dobo gorivnih celic.
Slika 3. Uporaba vodno{1}}vodenih laserjev.
03 Izzivi in težave, s katerimi se soočajo-vodni laserji
Stabilnost vodnega curka: med vodno-vodeno lasersko obdelavo lahko-hitro tekoči vodni curek postane nestabilen, kar lahko vpliva na kakovost obdelave. Na primer, med rezanjem lahko nihanje vodnega curka povzroči odstopanja v liniji reza ali poveča hrapavost površine, kar vpliva tako na natančnost obdelave kot na kakovost površine. Da bi zagotovili stabilnost vodnega curka, je treba optimizirati krmilni sistem vodnega curka, tako da lahko ohranja stabilno stanje skozi celotno obdelavo.
Laser-Učinkovitost spajanja vode: Učinkovitost spajanja med laserskim žarkom in vodnim curkom neposredno vpliva na rezultate obdelave. Če je učinkovitost sklopitve nizka, se bo izguba laserske energije v vodnem curku povečala, kar bo zmanjšalo učinkovitost in kakovost obdelave.
Tehnične zahteve za luknje za šobe: Da bi zagotovili visoko{0}}kakovostno-vodeno lasersko obdelavo, sta zasnova in natančnost izdelave luknje za šobe kritični. Luknja šobe mora imeti izredno tanke stene, hkrati pa mora ohraniti visoko natančnost okroglosti in nič stožca, da prenese udarec vodnega toka. Poleg tega mora biti hrapavost notranje površine luknje izjemno nizka, da se zagotovi stabilnost in doslednost vodnega curka.
Prilagodljivost okolju: Oprema za lasersko-vodeno obdelavo ima visoke okoljske zahteve. Delovanje opreme na primer zahteva stabilno napajanje, čisto vodo ter stalno temperaturo in vlažnost okolja. V okoljih s slabimi pogoji, kot so velika temperaturna nihanja, visoka vlažnost ali nestabilno napajanje, se lahko zmogljivost opreme poslabša ali celo odpove. Poleg tega lahko dejavniki, kot so prah in vibracije v okolju, motijo obdelavo, kar vpliva na natančnost in kakovost obdelave. Zato sta v praktičnih aplikacijah potrebna strog nadzor in upravljanje okolja delovanja opreme.
04 Trenutno stanje razvoja panoge doma in v tujini
Z nenehnim napredkom tehnologije laserske natančne obdelave in naraščajočim povpraševanjem na trgu se nenehno razvija in izboljšuje tudi vodno{0}}vodena laserska tehnologija obdelave. Med mednarodno priznanimi vodilnimi proizvajalci vodno{2}}vodene laserske opreme sta predvsem dve podjetji: švicarska Synova in Avonisys. Med podjetji za-lasersko obdelovalno opremo za domačo vodo se trenutno relativno hitro razvijajo med drugim Wot Intelligent Manufacturing, Cosset in Shanghai Lengchen Technology. Nekatera druga podjetja sprejmejo pristop neposrednega uvajanja sorodnih tujih tehnologij ter jih nato sestavljajo in proizvajajo doma, medtem ko optimizirajo svoje izdelke. Čeprav lahko to hitro zapolni tehnološke vrzeli ter kratkoročno zmanjša stroške in čas raziskav in razvoja, na dolgi rok še vedno obstajajo določene težave, kot so odvisnost od tujih temeljnih tehnologij, neuravnotežene naložbe v raziskave in razvoj ter tveganja prelivanja v industrijski verigi. Avtor meni, da je treba vzpostaviti pozitiven cikel 'uvajanja-vsrkavanja-preseganja'. Dobra novica je, da zdaj obstajajo domača podjetja, ki so sposobna zagotoviti komercialno opremo s 100-odstotno lokalno proizvedenimi komponentami. S preoblikovanjem in nadgradnjo kitajske proizvodne industrije bo imela vodno{13}}vodena laserska tehnologija obdelave pomembnejšo vlogo v vrhunski-proizvodnji, zlasti pri novih energetskih vozilih, vesoljski industriji in-proizvodnji vrhunske opreme. Uporaba vodno{17}}vodene laserske tehnologije bo spodbudila tehnološke inovacije in nadgradnjo izdelkov v teh panogah.
