Laser-Schneide-Maschine

Gliederung

• Materialverarbeitungsparameter

• Prozessbeschreibung

• Mechanismen des Laserschneidens

Wirkung der Leistungsdichte

• Leistungsdichte ist der wichtigste Prozesstreiber

• Leistungsdichte (Intensität) = P / pr2

Prozessvariablen für die Materialbearbeitung

• Die anderen wichtigen Prozessvariablen:

Interaktionszeit und empirisches Prozessdiagramm

• Interaktionszeit, t = 2 U / V

wobei r = Strahlradius und v = Geschwindigkeit ist

Baustahl

Schneiden

• Das Laserschneiden kann schneller und qualitativ hochwertiger schneiden als bei konkurrierenden Prozessen:

- Locher, Plasma, Strahlmittel, Ultraschall, Oxyflame, Sägen und Fräsen

• Kann automatisiert werden

• 80% industrielle Laser werden in Japan zum Zerspanen eingesetzt

Typische Schneideinrichtung

Prozessmerkmale

• Es ist einer der schnelleren Schneidprozesse.

• Das Werkstück muss nicht gespannt werden. Es empfiehlt sich jedoch, eine Aufspannung zu verwenden, um ein Verschieben mit der Tischbeschleunigung zu vermeiden und bei Verwendung eines CNC-Programms zu lokalisieren.

• Der Werkzeugverschleiß beträgt null, da der Prozess ein berührungsloser Schneidprozess ist.

• Schnitte in jede Richtung können erfolgen, da die Polarisation die Prozesseffizienz beeinflussen kann.

• Der Geräuschpegel ist niedrig.

• Der Prozess kann leicht automatisiert werden, mit guten Aussichten für eine adaptive Steuerung in der Zukunft.

• Keine teuren Werkzeugwechsel sind hauptsächlich "weich". Das heißt, sie programmieren nur Änderungen. Somit ist der Prozess sehr flexibel.

• Einige Materialien können stapelweise geschnitten werden, es kann jedoch ein Problem beim Schweißen zwischen den Schichten auftreten.

• Nahezu alle Konstruktionsmaterialien können geschnitten werden. Sie können spröde, spröde, elektrische Leiter oder Nichtleiter sein, hart oder weich.

- Nur stark reflektierende Materialien wie Aluminium und Kupfer können ein Problem darstellen, aber bei richtiger Strahlsteuerung können diese zufriedenstellend geschnitten werden.

Antwort bearbeiten

• Der Schnitt kann eine sehr enge Schnittbreite haben, was zu erheblichen Materialeinsparungen führt. (Kerf ist die Breite der Schnittöffnung)

• Die Schnittkanten können wie bei den meisten Heißstrahlverfahren oder anderen thermischen Schneidtechniken quadratisch und nicht abgerundet sein.

• Die Schnittkante kann glatt und sauber sein. Es ist ein fertiger Schnitt, der keine weitere Reinigung oder Behandlung erfordert.

• Die Schnittkante kann direkt mit wenig oder keiner Oberflächenvorbereitung neu verschweißt werden.

• Wie bei den mechanischen Schnitttechniken gibt es keinen Kantengrat. Krätzehaftung kann normalerweise vermieden werden.

• Es gibt eine sehr schmale, wärmeeinflussgefährdete Zone (HAZ) und eine sehr dünne, erstarrte Schicht von wenigen µm, insbesondere bei kratzfreien Schnitten. Es gibt vernachlässigbare Verzerrungen.

• In einigen Materialien können Blindschnitte ausgeführt werden, insbesondere in flüchtigen Materialien wie Holz oder Acryl.

• Die Schnitttiefe hängt von der Laserleistung ab. 10-20mm ist der aktuelle Bereich für qualitativ hochwertige Schnitte. Einige Faserlaser mit sehr hoher Leistung könnten 50 mm schneiden.

Schlacke

Prozessmechanismen

• Der Strahl wird über einen programmierten Pfad gefahren und der Materialabtrag erfolgt aufgrund mehrerer Mechanismen.

• Schmelzen

- Material mit einer geschmolzenen Phase niedriger Viskosität, insbesondere Metalle und Legierungen, und Thermoplasten werden durch die Erwärmung eines Strahls mit einer Leistungsdichte in der Größenordnung von 104 Wmm-2 geschnitten

- Die Schmelze wird durch Scherung eines inerten oder aktiven Hilfsgasstroms unterstützt, was zur Bildung eines geschmolzenen Kanals durch das Material führt, das als Schnittfuge (Schlitz) bezeichnet wird.

• Verdampfung

- Geeignet für schwer schmelzende Materialien (einige Gläser, Keramiken und Verbundstoffe)

- Materialien können durch Verdampfung geschnitten werden, die durch eine höhere Strahlleistungsdichte (> 104Wmm-2) induziert wird.

• Chemische Zersetzung

- In vielen organischen Materialien kann ein Schnitt durch chemischen Abbau durch die Erwärmung des Balkens entstehen.

Materialentfernungsmechanismus in verschiedenen Materialien

Inertgas-Schmelzscheren oder Schmelzen und Schlag

Schmelzen und blasen

• Sobald ein Durchgangsloch hergestellt ist oder der Schnitt von der Kante aus beginnt

• Ein ausreichend starker Gasstrahl könnte das geschmolzene Material aus der Schnittfuge blasen, um einen weiteren Temperaturanstieg auf den Siedepunkt zu verhindern.

• Das Schneiden mit einem Inertgasstrahl erfordert nur ein Zehntel der für die Verdampfung erforderlichen Leistung

• Beachten Sie, dass das Verhältnis der latenten Wärme zwischen Schmelzen und Verdampfung 1:20 beträgt.

Modellierung des Prozesses

Schmelzen und blasen

• Die Gruppe [P / tV] ist konstant für das Schneiden eines bestimmten Materials mit einem bestimmten Balken.

Schneideaktion

• Der Strahl fällt auf die Oberfläche

- Der größte Teil des Strahls tritt in das Loch oder den Schnitt ein

- etwas wird von der nicht geschmolzenen Oberfläche reflektiert

- Einige können direkt durchgehen.

• Bei langsamer Geschwindigkeit beginnt die Schmelze an der Vorderkante des Balkens, und ein großer Teil des Balkens läuft sauber durch den Schnitt, ohne dass er sich berührt, wenn das Material ausreichend dünn ist.

Detaillierter Schmelzblasmechanismus

• Die Absorption erfolgt durch zwei Mechanismen:

- hauptsächlich durch Fresnel-Absorption, d. H. Direkte Wechselwirkung des Strahls mit dem Material -

- durch Plasmaabsorption und -wiederbelebung. Das Plasma, das sich beim Schneiden aufbaut, ist aufgrund des Abblasens des Gases nicht sehr bedeutend.

• Die Leistungsdichte an der Schnittfront beträgt Fsinq. Dies verursacht ein Schmelzen, das dann durch die Widerstandskräfte aus dem schnell strömenden Gasstrom weggeblasen wird.

• Am unteren Rand des Schnitts ist die Schmelze dicker, weil der Film abgebremst wird und die Oberflächenspannung das Austreten der Schmelze verzögert.

• Der Gasstrom stößt die geschmolzenen Tropfen an der Basis aus

der Schnitt in die Atmosphäre.

Bildung von Streifenbildung

• Wenn die Schnittgeschwindigkeit erhöht wird, wird der Balken aufgrund der geringeren Verluste durch den Schnitt automatisch effizienter an das Werkstück gekoppelt.

• Auch der Balken neigt dazu, auf das ungeschmolzene Material vorzustoßen. Wenn dies auftritt, steigt die Leistungsdichte, da die Oberfläche nicht geneigt ist.

• Die Schmelze läuft schneller ab und wird als Stufe in den Schnitt hineingefegt. Wenn die Stufe heruntergefegt wird, hinterlässt sie eine Markierung an der Schnittkante, die als Streifenbildung bezeichnet wird.

• Die Ursache von Streitigkeiten ist umstritten, es gibt viele Theorien:

- Die Stufentheorie

- kritische Tröpfchengröße, wodurch die Schmelze in der Größe pulsiert, bevor sie geblasen werden kann

- Die Theorie der seitlichen Verbrennung.

• Es gibt Bedingungen, unter denen keine Streifen auftreten. Diese werden durch den Gasstrom oder durch das Pulsieren mit der Frequenz der natürlichen Streifen bestimmt.

Streifungen

Reaktives Fusionsschneiden

• Wenn das Unterstützungsgas auch exotherm reagieren kann, wird dem Prozess eine zusätzliche Wärmequelle hinzugefügt.

• Das den Schnitt durchströmende Gas schleift die Schmelze nicht nur weg, sondern reagiert auch mit der Schmelze.

• Normalerweise besteht das reaktive Gas aus Sauerstoff oder einer Mischung, die Sauerstoff enthält.

• Die Verbrennungsreaktion beginnt normalerweise bei der Zündtemperatur oben.

• Das Oxid wird gebildet und wird in die Schnittfuge geblasen und bedeckt die Schmelze nach unten, was die Reaktion verlangsamt und sogar zu einem Bruch in den Streifenlinien führen kann.

Reaktive Fusion.

• Die durch die Verbrennungsreaktion zugeführte Energiemenge hängt vom Material ab

- bei Weichstahl / Edelstahl 60%

- Bei einem reaktiven Metall wie Titan sind es etwa 90%.

• Die Schnittgeschwindigkeit könnte mit dieser Technik verdoppelt werden.

• Je schneller der Schnitt, desto weniger Wärme dringt ein und desto besser ist die Qualität.

• Eine chemische Veränderung des Werkstücks kann durch reaktives Verschmelzen erfolgen.

- Bei Titan kann dies kritisch sein, da der Rand etwas Sauerstoff enthält und härter ist und zum Reißen neigt.

- Bei Weichstahl ist kein Effekt zu erkennen, außer einer sehr dünnen, erstarrten Oxidschicht auf der Oberfläche des Stahls.

Reaktive Fusion…

• Die Krätze ist ein Oxid (anstelle von Metall)

- Baustahl fließt gut und haftet nicht am Grundmetall

- Bei Edelstahl besteht das Oxid aus hochschmelzenden Bestandteilen wie Cr2O3 (Schmelzpunkt ~ 218O ° C), wodurch dieses schneller gefriert und ein Schlackenproblem verursacht.

- Aluminium zeigt ein ähnliches Verhalten

• Durch die Verbrennungsreaktion wird eine weitere Ursache für Streifenbildung eingeführt

- Beim langsamen Schneiden (niedriger als die Verbrennungsreaktionsgeschwindigkeit) wird die Zündtemperatur erreicht und es wird vom Zündpunkt aus in alle Richtungen nach außen gebrannt.

Streifen im reaktiven Fusionsschneiden

Kontrollierter Bruchprozess

• Sprödes Material ist anfällig für thermische Brüche. Es kann schnell und sauber abgetrennt werden, indem ein Riss mit einer feinen, mit einem Laser erhitzten Stelle geführt wird

• Der Laser erwärmt ein kleines Volumen der Oberfläche, so dass sich die Oberfläche ausdehnt und um sie herum Zugspannungen verursacht

• Wenn sich in diesem Bereich ein Riss befindet, wirkt dieser als Spannungserhöhung und der Riss setzt sich in Richtung des Hot Spots fort

• Die Geschwindigkeit, mit der ein Riss geführt werden kann, liegt in der Größenordnung von m / s

• Wenn sich der Riss einer Kante nähert, werden die Spannungsfelder komplexer

Kontrollierte Fraktur

• Vorteile:

- Die Geschwindigkeit, Kantenqualität und Präzision sind beim Glasschneiden sehr gut.

- Wirksam für gerade Schnitte

• Nachteile:

- Es ist schwierig, profilierte Schnitte zu erstellen, z. B. für die Herstellung von Autospiegelspiegeln

- Nahe am Rand schwer zu modellieren und vorhersagen

Verarbeitungsbereich für kontrollierte Fraktur

Scribing

• Dies ist ein Prozess zum Herstellen einer Nut oder Linie von Löchern, die ganz oder teilweise durchdringen

• Dadurch wird die Struktur ausreichend geschwächt, sodass sie mechanisch beschädigt werden kann

• Typische Materialien sind Siliziumchips und Aluminiumoxid-Substrate

• Die Qualität wird anhand des Mangels an Ablagerungen und einer Zone mit geringer Wärmeeinwirkung gemessen

• Daher werden energiearme, hochleistungsdichte Impulse verwendet, um das Material hauptsächlich als Dampf zu entfernen

Verdampfungsschneiden

• Der fokussierte Strahl beim Verdampfungsschneiden erwärmt die Oberfläche zuerst bis zum Siedepunkt und erzeugt ein Schlüsselloch.

• Das Schlüsselloch bewirkt eine plötzliche Erhöhung des Absorptionsvermögens aufgrund von Mehrfachreflexionen und das Loch vertieft sich schnell.

• Bei der Vertiefung wird Dampf erzeugt und entweicht dem Auswerfen von Auswurfblasen aus dem Loch oder der Schnittfuge und Stabilisierung der geschmolzenen Wände des Lochs

• Dies ist die übliche Schneidmethode für gepulste Laser oder beim Schneiden von Materialien, die nicht schmelzen, wie Holz, Kohlenstoff und einige Kunststoffe.

Vaoporisierung

• Die Eindringgeschwindigkeit des Strahls in das Werkstück kann aus einem Bündel geschätzt werden

Wärmekapazitätsberechnung vorausgesetzt

- 1D Wärmefluss

- Leitung wird ignoriert

- Die Durchdringungsrate ist ähnlich oder schneller als die Durchleitungsrate

- Entferntes Volumen pro Sekunde pro Flächeneinheit = Durchdringungsgeschwindigkeit, V m / s

Verdampfung

Kaltes Schneiden

• Hochleistungs-UV-Excimer-Laser weisen kaltes Schneiden auf

- Die Energie des ultravioletten Photons beträgt 4,9 eV, was der Bindungsenergie vieler organischer Materialien ähnelt.

- Wenn ein solches Photon eine Bindung trifft, kann es brechen

- Wenn diese Strahlung mit einem ausreichenden Photonenfluss auf Kunststoff gerichtet wird, dass mindestens ein Photon / eine Bindung vorhanden ist, verschwindet das Material ohne Erwärmung und hinterlässt ein Loch ohne Ablagerungen oder Randschäden

Effekt der Spotgröße

• Die Hauptparameter sind Laserleistung, Verfahrgeschwindigkeit, Fleckgröße und Materialstärke.

• Die Spotgröße wirkt auf zwei Arten:

- Erstens erhöht eine Verringerung der Fleckgröße die Leistungsdichte, die sich auf die Absorption auswirkt

- Zweitens wird die Schnittbreite verringert.

• Laser mit stabiler Leistung und Modi niedriger Ordnung - in der Regel schneiden echte TEMoo-Modi deutlich besser ab als andere Modi

Wellenlänge

• Je kürzer die Wellenlänge, desto höher ist das Absorptionsvermögen für die meisten Metalle

• Daher ist die YAG-Strahlung der CO2-Strahlung vorzuziehen, jedoch die schlechte Modenstruktur der meisten

YAG-Lasern steht der Nutzen gegenüber

• Faserlaser mit gutem Strahlmodus können einen Vorteil haben.

Zusammenfassung

• Grundlagen des Laserschneidens

• Mechanismen

• Faktoren, die das Laserschneiden beeinflussen