01 Tehnički principi i značajke
Osnovno načelo lasera-vođenog vodom je spajanje laserske zrake u visoko{1}}tlačni mikro vodeni mlaz i usmjeravanje lasera na površinu materijala kroz vodeni mlaz. U ovom sustavu, laser koji generira laserski izvor prvo prolazi kroz niz optičkih komponenti (kao što su leće i zrcala) za kolimaciju i fokusiranje, a zatim se kombinira s-vodenim mlazom visokog pritiska kroz posebnu mlaznicu. Vodeni mlaz formira sićušni kanal u mlaznici, a laserska zraka se vodi kroz ovaj kanal do površine obratka, kao što je prikazano na slici 1. Budući da se indeks loma vode razlikuje od indeksa loma zraka, putanja širenja lasera u vodi se mijenja, pa je potreban precizan optički dizajn kako bi se osigurala stabilnost i fokus energije laserske zrake.
Slika 1. Tehnički princip vodo{1}}vođenih lasera.
Visoka preciznost: laserska-tehnologija vođena vodom može postići submilimetarsku ili čak mikrometarsku{1}}točnost obrade. Budući da je promjer vodenog mlaza vrlo malen, obično samo deseci do stotine mikrometara, laserska zraka se može precizno voditi na određene položaje na izratku za operacije finog rezanja, bušenja ili graviranja. Visoka učinkovitost: tijekom vode-vođene laserske obrade, laserska zraka se prenosi izravno na površinu obratka kroz vodeni mlaz, smanjujući gubitak energije i raspršivanje u zraku. Osim toga, vodeni mlaz također pruža učinke hlađenja i ispiranja, učinkovito snižavajući površinsku temperaturu obratka i smanjujući zonu utjecaja topline-, čime se poboljšava učinkovitost i kvaliteta obrade. Smanjeno toplinsko oštećenje: Zbog učinka hlađenja vodenog mlaza, zona-zahvaćena toplinom (HAZ) u-vodenoj laserskoj obradi vrlo je mala. Zona-zahvaćene toplinom odnosi se na područje na površini i unutar obratka gdje dolazi do toplinske deformacije, oštećenja ili faznih promjena zbog provođenja topline i zračenja tijekom laserske obrade. Brzo hlađenje vodenog mlaza u vodenoj-laserskoj obradi brzo uklanja toplinu s površine obratka, čime se smanjuje veličina i dubina toplinske-zone i sprječava toplinska deformacija i oštećenje materijala.
Slika 2. (a) SEM slike presjeka presjeka legure titana rezanjem 'konvencionalnim suhim laserom' i rezanjem-vodenim laserom, (b) usporedba reznih površina CFRP-a dobivenih rezanjem-vodenim laserom i rezanjem 'konvencionalnim suhim laserom'.
02 Polja primjene
Zrakoplovstvo: Zrakoplovstvo ima vrlo visoke zahtjeve za preciznošću i kvalitetom obrade materijala, a laserska-tehnologija vođena vodom široko se koristi u ovom području. Može se koristiti za obradu ključnih komponenti zrakoplovnih motora kao što su lopatice, turbinski diskovi i komore za izgaranje, koji su obično izrađeni od materijala koje je teško{2}}-obraditi kao što su superlegure i legure titana. Vodeni-laseri mogu učinkovito rezati i gravirati te materijale, a istovremeno osiguravaju preciznost obrade i kvalitetu površine, čime se poboljšava izvedba i pouzdanost komponenti. Osim toga, laseri-navođeni vodom također se mogu koristiti za obradu strukturnih dijelova zrakoplovnih vozila, kao što su krila i trupovi, omogućujući strojnu obradu složenih oblika i laganih dizajna.
Područje poluvodiča: u proizvodnji poluvodiča vodeni -laseri mogu se koristiti za rezanje poluvodičkih materijala poput silikonskih pločica, kao i za pakiranje i testiranje čipova. Budući da poluvodički materijali zahtijevaju izuzetno visoku preciznost obrade i kvalitetu površine, visoka preciznost i nisko toplinsko oštećenje vodo-vođenih lasera čine ih idealnim alatom za obradu. Mogu postići fino rezanje silicijskih pločica, izbjegavajući pukotine i oštećenja, čime se poboljšava prinos i izvedba čipova. Osim toga, vodeni -laseri mogu se koristiti za mikro-procesiranje poluvodičkih uređaja, kao što je proizvodnja mikroelektroničkih komponenti i jetkanje mikrokrugova, pružajući preciznost obrade na mikrometarskoj ili čak nanometarskoj razini.
Novo energetsko polje: U novom energetskom sektoru vodeni -laseri mogu se koristiti za obradu ključnih komponenti novih energetskih uređaja kao što su solarni paneli i gorivne ćelije. Na primjer, u proizvodnji solarnih panela, vodom-navođeni laseri mogu se koristiti za rezanje silikonskih pločica i graviranje uzoraka elektroda na površini solarnih ćelija, povećavajući učinkovitost fotonaponske pretvorbe i performanse panela. U proizvodnji gorivih ćelija, vodeni-laseri mogu obraditi komponente kao što su sklopovi membranskih elektroda i bipolarne ploče, omogućujući visoko-precizno rezanje i graviranje, čime se poboljšava izvedba i životni vijek gorivih ćelija.
Slika 3. Primjene lasera-vođenih vodom.
03 Izazovi i problemi s kojima se suočavaju vodeni-laseri
Stabilnost vodenog mlaza: Tijekom-vodene laserske obrade vodeni-vodeni mlaz velike brzine može postati nestabilan, što može utjecati na kvalitetu obrade. Na primjer, tijekom rezanja, fluktuacije u mlazu vode mogu uzrokovati odstupanja u liniji rezanja ili povećati hrapavost površine, utječući i na točnost obrade i na kvalitetu površine. Kako bi se osigurala stabilnost vodenog mlaza, potrebno je optimizirati sustav upravljanja vodenim mlazom tako da može održavati stabilno stanje tijekom cijele obrade.
Laser-Učinkovitost spajanja vode: Učinkovitost spajanja između laserske zrake i vodenog mlaza izravno utječe na rezultate obrade. Ako je učinkovitost spajanja niska, gubitak laserske energije u vodenom mlazu će se povećati, smanjujući i učinkovitost i kvalitetu obrade.
Tehnički zahtjevi za otvore za mlaznice: Kako bi se osigurala visoko{0}}kvalitetna laserska-obrada vođena vodom, dizajn i preciznost izrade otvora za mlaznice su ključni. Otvor mlaznice mora imati izuzetno tanke stijenke uz zadržavanje visoke preciznosti u okruglosti i nultom suženju kako bi izdržao udar protoka vode. Osim toga, hrapavost unutarnje površine rupe mora biti izuzetno niska kako bi se osigurala stabilnost i postojanost vodenog mlaza.
Prilagodljivost okolišu: oprema za-vodenu lasersku obradu ima visoke ekološke zahtjeve. Na primjer, rad opreme zahtijeva stabilno napajanje električnom energijom, čistu vodu i stalnu temperaturu i vlažnost okoline. U okruženjima s lošim uvjetima, kao što su velike temperaturne fluktuacije, visoka vlažnost ili nestabilno napajanje, performanse opreme mogu se smanjiti ili čak otkazati. Osim toga, čimbenici poput prašine i vibracija u okolišu mogu ometati obradu, utječući na točnost i kvalitetu strojne obrade. Stoga je u praktičnim primjenama neophodna stroga kontrola i upravljanje radnim okruženjem opreme.
04 Trenutno stanje razvoja industrije u zemlji i inozemstvu
Uz neprestani napredak tehnologije laserske precizne obrade i sve veću potražnju na tržištu, laserska-vodena tehnologija obrade također se neprestano razvija i poboljšava. Međunarodno priznati vodeći proizvođači vodeno{2}}navođene laserske opreme uglavnom uključuju dvije tvrtke: švicarsku Synovu i Avonisys. Trenutačno, među domaćim tvrtkama za-vođenu lasersku obradu opreme, one koje se relativno brzo razvijaju uključuju Wot Intelligent Manufacturing, Cosset i Shanghai Lengchen Technology, između ostalih. Neke druge tvrtke prihvaćaju pristup izravnog uvođenja srodnih stranih tehnologija, a zatim ih sklapaju i proizvode u zemlji dok optimiziraju svoje proizvode. Iako to može brzo popuniti tehnološke praznine i kratkoročno smanjiti troškove i vrijeme istraživanja i razvoja, dugoročno još uvijek postoje određeni problemi, poput ovisnosti o stranim temeljnim tehnologijama, neuravnoteženih ulaganja u istraživanje i razvoj i rizika prelijevanja u industrijskom lancu. Autor smatra da treba uspostaviti pozitivan ciklus 'uvođenja-apsorpcije-nadilaženja'. Dobra vijest je da sada postoje domaće tvrtke koje su sposobne isporučiti komercijalnu opremu sa 100% lokalno proizvedenim komponentama. S transformacijom i nadogradnjom kineske proizvodne industrije, tehnologija vodene-laserske obrade imat će važniju ulogu u visokoj-proizvodnji, posebno u novim energetskim vozilima, zrakoplovstvu i-proizvodnji vrhunske opreme. Primjena laserske tehnologije-vođene vodom potaknut će tehnološke inovacije i unapređenje proizvoda u tim industrijama.
