S brzim razvojem područja medicine, zrakoplovstva, zrakoplovstva, poluvodiča i energetike, zahtjevi za performansama za ključne komponente stalno rastu, što je pospješilo napredak tehnologije i opreme za obradu. U tim je područjima odabir tehnologije rezanja komponenti ključan za kvalitetu i izvedbu proizvoda. Iako su tradicionalne tehnologije mehaničkog rezanja i rezanja vodom pod visokim pritiskom naširoko korištene, lasersko rezanje postupno postaje prvi izbor zbog svojih prednosti u učinkovitosti obrade, preciznosti i prihvatljivosti za okoliš. Tehnologija laserskog rezanja izravno ozračuje materijal visokoenergetskom laserskom zrakom kako bi se postiglo visokoprecizno i visokoučinkovito rezanje. U isto vrijeme, ne proizvodi očigledan fizički kontakt tijekom procesa rezanja, čime se smanjuje zagađenje okoliša i u skladu s konceptom zelene proizvodnje.
Tehnologija laserskog rezanja pokazala je svoju superiornost u mnogim scenarijima primjene. Na primjer, u medicinskom polju, kako moja zemlja ulazi u društvo koje stari, tržišna potražnja za intravaskularnim stentovima je porasla, a stopa rasta tržišta premašila je 20% posljednjih godina. Tehnologija laserskog rezanja ima potencijal za široku primjenu u obradi intravaskularnih stentova zbog svoje visoke preciznosti i prilagodljivosti. Međutim, tradicionalno lasersko rezanje može u nekim slučajevima prouzročiti toplinsko oštećenje materijala, što će stvoriti sitnu šljamu i sloj pod utjecajem topline na površini materijala, što utječe na učinkovitost i vijek trajanja materijala. Kako bi se prevladala ta ograničenja, tehnologija laserskog rezanja vođena vodom pojavila se kao inovativna metoda rezanja. Uvođenjem protoka vode tijekom procesa laserskog rezanja, može se učinkovito smanjiti toplinska oštećenja i poboljšati kvaliteta površine rezanog materijala.
Što je laser vođen vodom
Tehnologija laserskog rezanja vođena vodom je inovativna metoda kompozitne obrade koja koristi vodeni mlaz za usmjeravanje laserske zrake za precizno rezanje izratka. Srž ove tehnologije je korištenje različitih karakteristika indeksa loma vode i zraka. Kada je laserska zraka usmjerena na sučelje voda-zrak pod određenim kutom, ako je upadni kut manji od kritičnog kuta potpune refleksije, laserska zraka će se potpuno reflektirati i neće prodrijeti kroz sučelje, čime se osigurava da laser energija se učinkovito ograničava i prenosi u vodenoj zraki.
Lasersku zraku prvo fokusira konveksna leća, a zatim prolazi kroz prozor od kvarcnog stakla u spojenu vodenu šupljinu. Preciznim podešavanjem udaljenosti između leće za fokusiranje i rupice mlaznice, može se osigurati da laserski fokus bude točno postavljen u središte gornje površine mlaznice. Nakon toga, laserska zraka ulazi u stabilan vodeni mlaz, gdje dolazi do potpune refleksije zbog razlike u indeksu loma, procesa sličnog širenju svjetlosti u optičkom vlaknu. Tijekom obrade, fokusirana laserska zraka se vodi visokotlačnom vodenom zrakom i izravno prenosi na površinu obratka, postižući učinkovite i precizne rezultate rezanja.
Prednosti lasera vođenog vodom
Tehnologija laserskog rezanja vodenim mlazom je inovativna metoda obrade koja kombinira vodene mlazove i laserske zrake. Naširoko se koristi u područjima precizne proizvodnje i mikrostrojne obrade. U usporedbi s tradicionalnim laserskim rezanjem, vodeno lasersko rezanje ima nekoliko jedinstvenih prednosti koje ga čine posebno dobrim u određenim scenarijima primjene.
Prije svega, značajka razlikovanja vodenog laserskog rezanja je izbjegavanje toplinskih oštećenja. Tradicionalno lasersko rezanje zbog visoke temperature može lako uzrokovati toplinsku deformaciju materijala i oštećenje mikrostrukture. Kod laserskog rezanja vođenog vodom, izbačeni protok vode učinkovito hladi materijal tijekom razmaka laserskog pulsa, što uvelike smanjuje toplinski stres materijala i omogućuje mu da zadrži svoja izvorna fizikalna i kemijska svojstva.
Drugo, vodeno vlakno ima veliku radnu udaljenost tijekom rada i ne zahtijeva precizno fokusiranje laserske zrake kao tradicionalno lasersko rezanje, što pruža veću fleksibilnost za obradu materijala složene geometrije. Nadalje, protok vode ne djeluje samo kao rashladno sredstvo tijekom procesa rezanja, već također odnosi rastaljeni materijal proizveden tijekom procesa rezanja, čime se značajno smanjuje taloženje onečišćujućih tvari u području obrade, što je osobito važno za okruženja obrade s visokim zahtjevi čistoće.
Osim toga, budući da lasersko rezanje vođeno vodom može postići visokoprecizno uklanjanje materijala, ova je tehnologija osobito prikladna za obradu dijelova s tankim stijenkama i superiorna je tradicionalnim metodama laserske obrade u pogledu preciznosti i kvalitete površine. Sa stalnim napretkom tehnologije, očekuje se da će lasersko rezanje vođeno vodom zamijeniti tradicionalno lasersko rezanje u više područja i postati učinkovitija i ekološki prihvatljivija metoda obrade.
Tehničke poteškoće i trendovi razvoja vodeno vođenog laserskog rezanja
1. Prigušenje lasera u vodenoj zraki: Kao napredna metoda obrade koja kombinira vodeni mlaz i laser, tehnologija laserskog rezanja vođena vodom pokazala je jedinstven potencijal u preciznoj proizvodnji. Međutim, zbog velikog prigušenja energije lasera u vodi, to ograničava njegovu učinkovitost u primjenama velike snage. Konkretno, laser velike gustoće snage u vodenom snopu ima veliko prigušenje energije zbog višestrukog raspršenja i apsorpcije, što rezultira smanjenjem brzine obrade. Primjerice, pri rezanju kompozitnih materijala od karbonskih vlakana debljine 18 mm, brzina je samo 5 mm u minuti, što uvelike ograničava primjenu ove tehnologije u obradi debelih materijala. Iako su trenutna istraživanja otkrila osnovne principe prijenosa lasera u vodi, kako učinkovito smanjiti ovo slabljenje još uvijek je tehnički problem koji treba riješiti. U budućnosti bi se mogli razviti dielektrični materijali s boljim svojstvima vođenja svjetlosti koji će zamijeniti vodene zrake, čime će se poboljšati učinkovitost rezanja i primjenjivost procesa.
2. Izazov minijaturizacije vodenog mlaza: U tehnologiji laserskog rezanja vođenog vodom, promjer vodenog mlaza izravno utječe na preciznost i širinu rezanja. S razvojem tehnologije mikrostrojne obrade, promjer mlaznice se može smanjiti na 30 mikrona, čime se postiže visokoprecizno rezanje. Međutim, daljnja minijaturizacija vodenih mlaznica suočava se s nizom tehničkih izazova, uključujući stabilnost vodene zrake, efektivnu duljinu i kontrolu promjera laserske točke. Ova pitanja ne samo da utječu na učinak rezanja, već postavljaju i veće zahtjeve za dizajn i proizvodnju opreme. Buduća istraživanja mogu se usredotočiti na optimiziranje dizajna mlaznice i dinamike fluida kako bi se dodatno poboljšala točnost rezanja uz održavanje stabilnosti vodenog mlaza.
3. Tehnički zahtjevi za obradu otvora mlaznice: Kako bi se osigurala visoka kvaliteta vodeno vođenog laserskog rezanja, dizajn i točnost izrade otvora mlaznice su ključni. Otvor mlaznice mora imati izuzetno tanku debljinu stjenke uz zadržavanje zaobljenosti visoke preciznosti i bez suženja kako bi se oduprlo udaru protoka vode. Osim toga, hrapavost unutarnje površine rupe mora biti kontrolirana na iznimno niskoj razini kako bi se osigurala stabilnost i konzistentnost vodene zrake. Ovi visoko zahtjevni standardi dizajna čine obradu rupa mlaznica izuzetno teškom, posebno u masovnoj proizvodnji. Kako održati dosljednost i točnost ključni je izazov s kojim se suočava proizvodna industrija.
4. Složenost sustava kontrole poravnanja spojnice: U sustavu laserskog rezanja vođenog vodom, spajanje i točnost poravnanja laserske zrake i vodene zrake izravno utječu na kvalitetu rezanja. Trenutno, iako su usvojeni visokoprecizni kontrolni mehanizmi servo pogona, problem brzog i točnog spajanja laserske i vodene zrake nije u potpunosti riješen. Kako bi se poboljšala točnost spajanja, potrebno je uvesti naprednije sustave detekcije i kalibracije, kao što su sustav detekcije spajanja vlakana vodenog snopa i laserskog fokusiranja, sustav pozicioniranja obratka itd. Integracija i optimizacija ovih sustava ključ su za postizanje visokoprecizno vodeno lasersko rezanje.
5. Nedovoljno sustavno istraživanje procesa: Iako je laserska tehnologija vođena vodom pokazala mnoge prednosti u teoriji, kontrola procesa još uvijek se suočava s mnogim izazovima u praktičnim primjenama. Trenutno industriji nedostaje potpuna tehnologija obrade i sustav procjene, što otežava održavanje ključnih pokazatelja kao što su učinkovitost obrade, točnost i integritet površine materijala. Nedostatak ovog istraživanja procesa čini prilagodljivost vodeno vođene tehnologije laserskog rezanja slabom pod različitim materijalima i uvjetima debljine. Stoga je u budućnosti potrebno sustavnije istraživanje procesa kako bi se uspostavila sveobuhvatna biblioteka parametara procesa i standardi za procjenu, kako bi se poboljšao potencijal industrijske primjene laserske tehnologije vođene vodom.
