Wat is lasersnijden? – Werking, Soorten &Toepassing

Lasersnijden is een niet-traditionele verwerkingsmethode die gebruik maakt van een intens gerichte stroom van coherent licht, een laser genaamd, om materiaal te snijden. Het is een subtractief proces waarbij het materiaal tijdens het snijproces continu wordt verwijderd. Dit wordt bereikt door verdamping, smelten, chemische ablatie of gecontroleerde scheurvoortplanting.

De laseroptiek wordt digitaal bestuurd door CNC (Computer Numerical Control), waardoor het proces geschikt is voor het boren van gaten tot 5 micron. Bovendien veroorzaakt het proces geen restspanningen in het materiaal, waardoor het snijden van delicate en kwetsbare materialen mogelijk wordt.

Hoe werkt lasersnijden?

Een lasersnijmachine werkt op dezelfde manier als een CNC-machine, maar maakt gebruik van een krachtige laser. De laser leidt het materiaal of de straal door de CNC en optische apparatuur. De machine gebruikt de meegeleverde CNC of G-code om het materiaal te snijden en de beweging te regelen.

Nadat de laserstraal is gefocusseerd, zal het materiaal smelten, verdampen en verbranden. Bovendien verkrijgt u door het materiaal met een gasstraal te blazen een hoogwaardig afgewerkt randoppervlak. De laserstraalopwekking vindt plaats in een gesloten container, waar een lamp of elektrische ontlading het lichtgevende materiaal stimuleert.

De versterking van het luminescerende materiaal vindt plaats na interne reflectie door een deelspiegel. Dit fenomeen gaat door totdat er voldoende energie is opgehoopt in een coherente monochromatische lichtstroom om het te laten ontsnappen. De intensiteit van het licht neemt toe nadat het met een vezel of spiegel op het werkgebied is gericht.

De diameter van de laserstraal is minder dan 0,32 mm aan de dunste rand. Omgekeerd kan de breedte van de incisie mogelijk zo klein zijn als 0,10 mm. Dit is echter afhankelijk van de dikte van het materiaal. Als het materiaal wordt gesneden met een lasersnijder zonder vanaf de rand van het materiaal te beginnen, wordt een perforatieproces gebruikt.

Soorten lasersnijden

Voor het snijden zijn er drie primaire soorten lasers. Het zijn CO2, Nd-YAG (neodymium yttrium aluminium granaat) en fiberlasers. Ze verschillen in het basismateriaal dat wordt gebruikt om de laserstraal te genereren.

Kooldioxidelasers

Dit type laser heeft een gasontladingsmedium gevuld met 10-20% koolstofdioxide, 10-20% stikstof, sporen van waterstof en xenon en helium. Laserpompen gebeurt niet door licht maar door ontlaadstroom.

Als de ontlading door het belichtingsmedium gaat, worden de stikstofmoleculen geëxciteerd naar een hoger energieniveau. In tegenstelling tot eerder beschreven, verliezen deze geëxciteerde stikstofmoleculen geen energie door fotonenemissie.

In plaats daarvan draagt ​​het de energie van zijn vibratiemodi over aan de CO2-moleculen. Dit proces gaat door totdat de meeste CO2-moleculen in een overdraagbare toestand zijn. De kooldioxidemoleculen zenden vervolgens infrarood licht uit van 10,6 µm of 9,6 µm, waardoor ze op een lager energieniveau komen.

Resonante spiegels zijn ontworpen om de uitgezonden fotonen op deze golflengten te reflecteren. Een spiegel is een gedeeltelijke reflector die het mogelijk maakt de infraroodstraal die wordt gebruikt om het materiaal te snijden, vrij te geven.

Na het vrijgeven van het infraroodlicht keert het CO2-molecuul terug naar de grondtoestand door zijn resterende energie over te dragen aan de gedoteerde heliumatomen. De koude heliumatomen worden dan erg heet en worden gekoeld door het koelsysteem van de laser. CO2-lasers hebben een efficiëntie van ongeveer 30%, hoger dan andere lasers.

Kristal (robijn, Nd en Nd-YAG) lasers

In tegenstelling tot CO2-lasers is dit type laser een laser in vaste toestand die synthetische kristallen als lichtgevend medium gebruikt. De meest voorkomende is een YAG (Y3Al5O12) kristal gedoteerd met 1% geïoniseerd neodymium (Nd3+).

De Nd-ionen in dit kristal vervangen de Y-ionen in de kristalstructuur. De staven zijn ongeveer 10 cm lang en 6 tot 9 cm in diameter. De uiteinden van de YAG-staven zijn gepolijst en gecoat met een sterk reflecterend materiaal dat dienst doet als resonatorsysteem.

Een krypton-flitser of laserdiode zorgt voor laserpompen. Deze laserpomp prikkelt neodymium-ionen naar hogere energieniveaus. Na enige tijd komen de aangeslagen neodymium-ionen in een lagere, stabielere toestand zonder fotonen uit te zenden. Dit proces gaat door totdat het medium gevuld is met aangeslagen Nd-ionen. Vanuit zijn gedegradeerde toestand zendt het Nd-ion infrarood licht uit met een golflengte van 1064 nm.

Vezellasers

Vezellasers zijn een nieuwere vorm van laser die licht uitstraalt met behulp van optische vezels in plaats van gassen (CO2-lasers) of kristallen (Nd-YAG-lasers). Omdat het optische vezels gebruikt, zijn fiberlasers solid-state lasers die op dezelfde manier werken als kristallasers.

De optische vezel is gedoteerd met elementen als erbium en ytterbium. Erbium produceert licht in het bereik van 1528 tot 1620 nm. Aan de andere kant produceert ytterbium licht bij 1030 nm, 1064 nm en 1080 nm.

Het is bekend dat wanneer licht door een optische vezel gaat, het binnen blijft met minimaal energieverlies. Dit maakt optische vezels stabieler dan andere typen die nauwkeurige uitlijning vereisen.

Voordelen van lasersnijmachine

Hoge precisie en nauwkeurigheid

Lasers gebruiken een gerichte lichtstraal om objecten met extreme precisie te snijden. De laser is krachtig en klein, maar hij smelt en verdampt materiaal met ongeëvenaarde precisie. Meestal variëren lasertoleranties van 0,003 mm tot 0,006 mm.

Plasmasnijders hebben een tolerantieniveau van ongeveer 0,02 mm, wat hoger is dan lasersnijden. Evenzo hebben andere snijgereedschappen tolerantieniveaus tussen 1 en 3 mm, of zelfs hoger. Stel dat een machine met hoge precisie en nauwkeurigheid vereist is in het productieproces.

In dit geval is het voorkeursgereedschap meestal een lasersnijder. Daarom gebruikt de lucht- en ruimtevaartindustrie lasersnijden, waarvoor strikte tolerantieniveaus vereist zijn.

Lagere kosten en voordeliger

Lasersnijden heeft een economisch voordeel ten opzichte van andere CNC-machines van hetzelfde kaliber, wat een van de voordelen is van lasertechnologie. Maatwerkgereedschappen zijn niet meer nodig dankzij lasersnijtechnologie. U hoeft de apparatuur ook voor geen enkel project aan te passen, omdat er geen extra snijgereedschap nodig is.

Bovendien is er geen fysiek contact, dus er is geen slijtage aan het oppervlak. Omdat lasersnijmachines weinig mechanische onderdelen hebben, zijn ze minder duur in onderhoud dan andere verwerkingstechnologieën. De bedrijfskosten van de machine zullen ook lager zijn in vergelijking met traditionele productietools.

Voor taken van extreme complexiteit

Veel taken die misschien te complex zijn voor andere snijtechnologieën, worden eenvoudig voor lasersnijmachines; lasertechnologie kan werken op de dunste randen van het materiaal. Hoewel het snijgebied enigszins vervormd of gedraaid kan zijn, kunt u snel complexe geometrieën produceren met een lasersnijder. Lasersnijden heeft een breed tolerantieniveau en is geschikt voor verschillende materialen.

Hoog velgebruik en minder afval

Wanneer u materiaal snijdt met een lasersnijder, gaat er slechts een zeer kleine hoeveelheid materiaal verloren. Hierdoor onderscheidt lasersnijden zich van andere machines met een aanzienlijk aandeel materiaal. Met een lasersnijder kunnen fabrikanten het materiaalgebruik maximaliseren. Naarmate hulpbronnen efficiënter worden gebruikt, wordt er minder materiaal verspild en worden de productiekosten verlaagd.

Schadepreventie

Een ander voordeel van lasersnijden is het voorkomen van schade, zelfs aan de smalste materialen. Veel mensen hebben de neiging om verkeerde informatie over de machine te geloven, in de veronderstelling dat vervorming of schade aan het materiaal onvermijdelijk is.

Deze populaire overtuiging gaat ervan uit dat hoge hitte wordt gebruikt in het lasersnijproces. Houd er rekening mee dat warmte slechts een klein materiaalgebied beïnvloedt en geen invloed heeft op toleranties. Het lasersnijden van platen gaat verbazingwekkend snel, dus de benodigde tijd voor het snijden is korter. Als gevolg hiervan kunnen fabrikanten gemakkelijk kromtrekken en vervorming voorkomen.

Laag stroomverbruik

Het zou helpen als je veel kracht had om in het echte leven een snee te bereiken. Lasersnijmachines hebben echter geen andere bewegende delen, wat het energieverbruik vermindert. Daarentegen hebben machines met bewegende delen de neiging om meer energie te verbruiken. Bovendien snijden lasersnijders materiaal in een zeer snelle tijd. Dit helpt tijd en energie te besparen. Wanneer er minder energie wordt verbruikt, worden ook de bedrijfskosten verlaagd.

Compatibiliteit met verschillende materialen

Het is interessant om op te merken dat deze machine op verschillende materialen kan werken. Naast het snijden van materialen helpt lasersnijden ook bij andere processen zoals markeren, boren en graveren. Het is vermeldenswaard dat u niet van gereedschap hoeft te wisselen of van gereedschap te veranderen om al deze verschillende taken uit te voeren.

Lasersnijden is niet beperkt tot het snijden van metaal. Andere lasersnijmaterialen zijn hout, aluminium, plastic, koper en messing. Lasersnijden is een veelzijdig proces omdat het gemakkelijk bijna alle verschillende soorten materialen kan snijden.

Nadelen van lasersnijmachine

Hoewel lasersnijden veel voordelen heeft, heeft het ook enkele nadelen waarvan u zich bewust moet zijn. We zullen er hieronder enkele bespreken.

Het lasersnijden van kunststoffen produceert giftige dampen en vereist ventilatie, wat een dure taak kan zijn.

Effectief lasersnijden hangt ook af van de dikte van het onderdeel, het materiaal dat wordt gesneden en het type laser dat wordt gebruikt. Zonder de juiste zorg kan het gesneden materiaal worden verbrand en kunnen sommige metalen verkleuren, tenzij de juiste laserintensiteit wordt gebruikt. Hoewel plasmasnijden nog steeds dikkere platen kan snijden dan lasersnijden, betekent de vooruitgang in lasertechnologie dat deze kloof wordt gedicht, hoewel de machinekosten nog steeds hoog zijn.

Ten slotte, hoewel het een geautomatiseerd proces is, vereisen inbedrijfstelling en onderhoud menselijke tussenkomst en bestaat er een risico op ernstige brandwonden als de operator in contact komt met de laser.

Toepassing van lasersnijden

Zoals eerder vermeld, is lasersnijden een opwindende sector die altijd in ontwikkeling is.

Hier zijn enkele van de meest voorkomende toepassingen van lasersnijden tegenwoordig.

Automobielindustrie

Lasersnijden heeft een thuis gevonden in de auto-industrie vanwege het vermogen om onderdelen met relatieve snelheid en nauwkeurigheid te reproduceren. Nauwkeurige reproductie van onderdelen van verschillende vormen en maten is van cruciaal belang in de automobielsector. Lasersnijden wordt gebruikt om metalen en kunststoffen te snijden om carrosseriedelen, elektronische componenten, interieurbekledingen en knoppen voor auto's te vormen.

Bovendien kunnen lasersnijmachines knoppen graveren in auto-interieurs om licht door te laten schijnen en serie- en onderdeelnummers op gefabriceerde onderdelen vast te leggen. Mallen die worden gebruikt om verschillende onderdelen te snijden, kunnen ook met een laser worden gesneden.

Lasersnijden is geschikt voor het snijden van hydrogevormde onderdelen. Dit zijn doorgaans stevige buizen die de constructie van het voertuig ondersteunen. Meestal worden deze onderdelen gebruikt om motorframes of instrumentenpanelen te maken.

Matrijs- en gereedschapsindustrie

Zoals eerder opgemerkt, kan lasersnijden worden gebruikt om mallen te maken voor dubbele onderdelen. Door gebruik te maken van het vermogen van de laser om verschillende dieptes in metaal te snijden, kunnen uiterst nauwkeurige mallen worden gemaakt voor gestanste onderdelen die consistent kunnen worden gebruikt door middel van een repetitief stansproces.

Het dupliceren van mallen met lasersnijden is ook een snel en nauwkeurig proces.

Spuitgietmatrijzen kunnen met dezelfde precisie worden gemaakt als matrijzen met lasersnijden.

Dit vereenvoudigt het proces van het maken van een mal en maakt een nauwkeurige reproductie van de mal een veel snellere en duurdere procedure.

Bij de gereedschapsproductie kunnen lasersnijders worden gebruikt voor markeren en graveren in de auto-industrie en voor het maken van eenvoudig handgereedschap. De snelheid van lasersnijders maakt ze misschien zelfs beter dan stansen op sterke metalen. Vanwege de veelzijdigheid van het materiaalgebruik kunt u zelfs bedrijfslogo's en gereedschapsinformatie lasergraveren op de rubberen handgrepen van de meeste gereedschappen.

Sieradenindustrie

De precisie van lasersnijden maakt het gemakkelijk te gebruiken bij het maken van sieraden. Stel je bijvoorbeeld een horloge voor met veel kleine tandwielen. Lasers worden met precisie gesneden om tandwielen te maken met minder afval en productietijd. Bovendien maken de graveermogelijkheden van de laser het mogelijk om onderdelen tijdens het fabricageproces te markeren.

Omdat lasers nauwkeurige vormen en diktes kunnen snijden, kan lasersnijden ook worden gebruikt om sieraden te maken. Het maken van een ring of armband van precieze breedte, diepte en diameter kan eenvoudig worden bereikt met een laser. Lasers kunnen ook ontwerpen en inscripties graveren op binnen- of buitenoppervlakken.

Productie van medische hulpmiddelen

De belangrijkste voordelen van lasersnijden in de medische industrie zijn laserchirurgie en de fabricage van medische producten.

Met laserchirurgie kunnen chirurgen precieze sneden maken en patiënten genezen sneller. Lasergesneden onderdelen worden gebruikt om medische apparaten te vervaardigen die de kwaliteit van leven van patiënten verbeteren. Stents, klepframes, vaatclips, botscharnieren, flexibele schachten en ruimers zijn bijvoorbeeld allemaal gemaakt van lasergesneden onderdelen.

Keramische productie

Keramiek heeft verschillende kwaliteiten waardoor ingenieurs ze in verschillende toepassingen kunnen gebruiken. Hun lage elektrische en thermische geleidbaarheid maken ze uitstekende isolatoren. Ze reageren niet met andere chemicaliën, hebben een hoog smeltpunt en zijn extreem duurzaam.

Lasers worden vaak gebruikt om keramiek te snijden omdat ze de verwerkingstijd verkorten zonder dat dit ten koste gaat van de randkwaliteit. Vliegtuigmotoren, elektromotoren, luidsprekers, koptelefoons, generatoren van elektriciteitscentrales, rijstkokers en zelfs gloeilampen hebben keramische onderdelen.

Siliciumproductie

Een ander materiaal dat baat kan hebben bij lasersnijden is silicium, dat veel toepassingen kent. Precisiesnijden stelt ingenieurs in staat kleinere siliconenonderdelen te produceren dan die gemaakt met behulp van andere snijmethoden.

Silicium is bestand tegen hoge temperaturen en veroudering en is gemakkelijk te verwerken. Typische toepassingen voor silicium zijn te vinden in computers, elektronica, textiel, huishoudelijke producten, auto's en de bouw.

Conclusie

De introductie van lasersnijden heeft de maakindustrie waardevolle voordelen opgeleverd. De machine helpt om veel materialen in één periode te snijden, waardoor tijd wordt bespaard en de bedrijfskosten worden verlaagd. Als u de voor- en nadelen van lasersnijden begrijpt, kunt u de beste keuze voor uw project maken.