Lasersnijden uitgelegd: proces, typen en toepassingen

Lasersnijden is een niet-traditionele bewerkingsmethode die een intense, gefocuste bundel coherente licht genaamd een laser gebruikt om materiaal te snijden. Het is een subtractief proces waarbij het materiaal continu wordt verwijderd tijdens het snijproces. Dit wordt bereikt door verdamping, smelting, chemische ablatie of gecontroleerde krakvooruitgang.

De laseroptica worden digitaal bestuurd door CNC (Computer Numerical Control), wat het proces geschikt maakt voor het boren van gaten zo klein als 5 micron. Bovendien creëert het proces geen resterende spanningen in het materiaal, wat het snijden van delicate en kwetsbare materialen mogelijk maakt.

Hoe werkt lasersnijden?

Een lasersnijmachine werkt vergelijkbaar met een CNC-machine, maar gebruikt een hoogvermogen laser. De laser leidt het materiaal of de bundel door de CNC- en optische apparatuur. De machine gebruikt de CNC- of G-code om het materiaal te snijden en de beweging te controleren.

Nadat de laserbundel gefocust is, zal het materiaal smelten, verdampen en branden. Daarnaast kunt u door het materiaal te blazen met een gasstraal een hoogwaardig afgewerkt randoppervlak verkrijgen. De generatie van de laserbundel vindt plaats in een gesloten container, waar een lamp of elektrische ontlading het luminescente materiaal stimuleert.

De amplificatie van het luminescente materiaal treedt op na interne reflectie door een deeltjes Spiegel. Dit fenomeen gaat door totdat er voldoende energie is opgebouwd in een coherente monochromatische lichtstraal om te kunnen ontsnappen. De intensiteit van het licht neemt toe nadat het gefocust is op het werkgebied met een vezel of spiegel.

De diameter van de laserbundel is op zijn dunste rand onder de 0,32 mm. Integenstelling tot dat kan de snijbreedte potentieel zo klein zijn als 0,10 mm. Dit hangt echter af van de dikte van het materiaal. Als het materiaal met een lasersnijder wordt gesneden zonder te beginnen vanaf de rand van het materiaal, wordt een perforatieproces gebruikt.

Typen lasersnijden

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

Koolstofdioxidelasers

Deze lasers hebben een gasontladingsmedium gevuld met 10-20% koolstofdioxide, 10-20% stikstof, sporen van waterstof en xenon, en helium. Laserpompen wordt gedaan niet door licht maar door ontladingsstroom.

Naarmate de ontlading door het verlichtingsmedium gaat, worden de stikstofmoleculen geëxciteerd naar een hogere energieniveau. In tegenstelling tot eerdere beschrijvingen verliezen deze geëxciteerde stikstofmoleculen geen energie door fotonemissie. In plaats daarvan overdragen ze de energie van hun trillingsmodi aan de CO2-moleculen. Dit proces gaat door totdat de meeste CO2-moleculen in een overdraagbare toestand zijn. De koolstofdioxidemoleculen emitteren dan infrarood licht bij 10,6 µm of 9,6 µm, wat ze naar een lager energieniveau brengt.

Resonante spiegels zijn ontworpen om de geëmiteerde fotonen bij deze golflengtes te reflecteren. Een spiegel is een deeltjes reflector die de infraroodbundel vrijgeeft die gebruikt wordt om het materiaal te snijden.

Na het vrijgeven van het infrarood licht keert het CO2-molecuul terug naar de grondtoestand door zijn overgebleven energie over te dragen aan de gedopte heliumatomen. De koude heliumatomen worden dan heel warm en worden gekoeld door het koelsysteem van de laser. CO2-lasers hebben een efficiëntie van ongeveer 30%, hoger dan andere lasers.

Kristallijnen (robijn, Nd en Nd-YAG) lasers

In tegenstelling tot CO2-lasers is dit type laser een solid-state laser die synthetische kristallen gebruikt als lichtemitterend medium. De meest voorkomende is een YAG (Y3Al5O12) kristal gedopt met 1% geïoniseerd neodymium (Nd3+).

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

Een kryptonflits of laserdiode bereikt het laserpompen. Dit pompen exciteert neodymium-ionen naar hogere energieniveaus. Na enige tijd gaan de geëxciteerde neodymium-ionen over in een lagere, stabielere toestand zonder fotonen te emitteren. Dit proces gaat door totdat het medium gevuld is met geëxciteerde Nd-ionen. Uit zijn gedegradeerde toestand emitteert het Nd-ioon infrarood licht met een golflengte van 1064 nm.

Vezellasers

Vezellasers zijn een nieuwere vorm van laser die licht emiteert met behulp van optische vezels in plaats van gassen (CO2-lasers) of kristallen (Nd-YAG-lasers). Omdat het optische vezels gebruikt, zijn vezellasers solid-state lasers die vergelijkbaar werken met kristallijnen lasers.

De optische vezel is gedopt met elementen zoals 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 binnenblijft met minimale energieverlies. Dit maakt optische vezels stabieler dan andere typen die nauwkeurige uitlijning vereisen.

Voordelen van lasersnijmachines

Hoge precisie en nauwkeurigheid

Lasers gebruiken een gefocuste lichtbundel om objecten met extreme precisie te snijden. De laser is krachtig en klein, maar smelt en verdampt materiaal met ongekende precisie. Meestal liggen lasertoleranties tussen 0,003 mm en 0,006 mm.

Plasmasnijders hebben een tolerantieniveau van ongeveer 0,02 mm, wat hoger is dan lasersnijden. Vergelijkbaar hebben andere snijgereedschappen tolerantieniveaus tussen 1 en 3 mm, of zelfs hoger. Als een machine met hoge precisie en nauwkeurigheid vereist is in het productieproces, is de voorkeurstool meestal een lasersnijder. Daarom gebruikt de luchtvaartindustrie lasersnijden, wat strakke tolerantieniveaus vereist.

Lagere kosten en betaalbaarder

Lasersnijden heeft een economisch voordeel ten opzichte van andere CNC-machines van hetzelfde kaliber, wat een van de voordelen van lasertechnologie is. Maatwerktools zijn niet langer nodig, dankzij lasersnijtechnologie. U hoeft de apparatuur ook niet aan te passen voor elk project omdat geen additionele snijgereedschappen nodig zijn.

Daarnaast is er geen fysiek contact, dus geen slijtage aan het oppervlak. Omdat lasersnijmachines weinig mechanische onderdelen hebben, zijn ze goedkoper in onderhoud dan andere verwerkingstechnologieën. De lopende kosten van de machine zullen ook lager zijn vergeleken met traditionele productiegereedschappen.

Voor taken van extreme complexiteit

Veel taken die te complex kunnen zijn voor andere snijtechnologieën worden eenvoudig voor lasersnijmachines; lasertechniek kan op de dunste randen van het materiaal werken. Hoewel het snijgebied iets vervormd of vervormd kan zijn, kunt u complexe geometrieën snel produceren met een lasersnijder. Lasersnijden heeft een breed tolerantieniveau en kan diverse materialen accommoderen.

Hoog materiaalgebruik en minder afval

Wanneer u materiaal snijdt met een lasersnijder, wordt alleen een heel kleine hoeveelheid materiaal verspild. Dit maakt lasersnijden uniek ten opzichte van andere machines met een significant deel materiaal. Met een lasersnijder kunnen fabrikanten het gebruik van materiaal maximaliseren. Omdat bronnen efficiënter benut worden, wordt minder materiaal verspild en worden productiekosten verlaagd.

Schadepreventie

Een ander voordeel van lasersnijden is het voorkomen van schade, zelfs aan de smalste materialen. Velen neigen ertoe onzin te geloven over de machine, denkend dat vervorming of schade aan het materiaal onvermijdelijk is.

Laag stroomverbruik

U hebt veel stroom nodig om een snede in het echte leven te bereiken. Echter, lasersnijmachines hebben geen andere bewegende delen, wat het energieverbruik reduceert. In tegenstelling tot machines met bewegende delen die meer energie consumeren. Bovendien snijden lasersnijders materiaal in een heel korte tijd. Dit helpt tijd en stroom besparen. Wanneer minder energie verbruikt wordt, worden de exploitatiekosten ook verlaagd.

Compatibiliteit met diverse materialen

Het is interessant om te noteren dat deze machine op diverse materialen kan werken. Naast het snijden van materialen helpt lasersnijden ook bij andere processen zoals markeren, boren en graveren. Het is de moeite waard om op te merken dat u niet hoeft te schakelen of gereedschappen te veranderen om al deze verschillende taken te doen.

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

Nadelen van lasersnijmachines

Hoewel lasersnijden veel voordelen heeft, heeft het ook enkele nadelen waar u rekening mee moet houden. We bespreken er een paar hieronder.

Lasersnijden van kunststoffen produceert giftige rookgassen en vereist ventilatie, wat een dure taak kan zijn.

Effectief lasersnijden hangt ook af van de dikte van het deel, het te snijden materiaal en het type laser dat wordt gebruikt. Zonder de juiste zorg kan het gesneden materiaal verbranden, en kunnen sommige metalen verkleuren tenzij de juiste laserintensiteit wordt gebruikt. Hoewel plasmasnijden nog steeds dikker bladen kan snijden dan lasersnijden, sluit de kloof dankzij vooruitgang in lasertechnologie, hoewel machinekosten nog steeds hoog zijn.

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

Toepassingen van lasersnijden

Zoals eerder aangegeven, is lasersnijden een spannende sector die constant evolueert.

Hier zijn enkele van de meest voorkomende toepassingen van lasersnijden vandaag de dag.

Automotive industrie

Lasersnijden heeft een thuisbasis gevonden in de auto-industrie vanwege de mogelijkheid om onderdelen met relatieve snelheid en nauwkeurigheid te reproduceren. Nauwkeurige reproductie van onderdelen van verschillende vormen en maten is cruciaal in de autosector. Lasersnijden wordt gebruikt om metalen en kunststoffen te snijden om carrosserieonderdelen, elektronische componenten, interieurafdekknoppen en knoppen voor auto's te vormen.

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

Lasersnijden is geschikt voor het snijden van hydrogevormde onderdelen. Dit zijn doorgaans steve buizen die ondersteuning bieden voor de voertuigconstructie. Doorgaans worden deze onderdelen gebruikt om motorframes of instrumentenpanelen te creëren.

Vorm- en gereedschapsindustrie

Zoals eerder genoteerd, kan lasersnijden worden gebruikt om vormen te maken voor duplicaatonderdelen. Door de mogelijkheid van de laser om verschillende diepten in metaal te snijden, kunnen extreem nauwkeurige vormen worden gecreëerd voor gestempelde onderdelen die consistent gebruikt kunnen worden door een herhalend stansproces.

Het dupliceren van vormen met lasersnijden is ook een snell en nauwkeurig proces.

Injectievormen kunnen met dezelfde precisie worden gemaakt als vormen met lasersnijden.

Dit vereenvoudigt het vormmakingsproces en maakt nauwkeurige vormreproductie een veel snellere en duurdere procedure.

In gereedschapsfabricatie kunnen lasersnijders worden gebruikt voor markeren en graveren in de auto-industrie en voor het maken van eenvoudige handgereedschappen. De snelheid van lasersnijders kan ze zelfs beter maken dan stansen op sterke metalen. Vanwege de veelzijdigheid van het materiaalgebruik kunt u zelfs bedrijfslogo's en gereedschapsinformatie op de rubberen handvaten van de meeste gereedschappen lasersnijden.

Sieradenindustrie

De precisie van lasersnijden maakt het gemakkelijk te gebruiken in sieradenproductieprocessen. Stel u zich een horloge met veel kleine tandwielen voor. Lasers worden met precisie gesneden om tandwielen te maken met minder afval en productietijd. Bovendien maken de graveerfuncties van de laser het mogelijk om onderdelen tijdens het productieproces te markeren.

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

Medische apparaatproductie

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

Laserchirurgie stelt chirurgen in staat om nauwkeurige sneden te maken, en patiënten herstellen sneller. Gelaserde onderdelen worden gebruikt om medische apparaten te fabriceren die de levenskwaliteit van patiënten verbeteren. Bijvoorbeeld, stents, klepframes, vasculaire clips, botscharnieren, flexibele assen en reamers zijn allemaal gemaakt van gelaserde onderdelen.

Keramische productie

Keramieken hebben diverse kwaliteiten die ingenieurs in staat stellen ze in diverse toepassingen te gebruiken. Hun lage elektrische en thermische geleiding maakt ze uitstekende isolatoren. Ze reageren niet met andere chemicaliën, hebben een hoog smeltpunt en zijn extreem duurzaam.

Lasers worden vaak gebruikt om keramieken te snijden omdat ze de verwerkingstijd verminderen zonder de randaqualiteit te offeren. Vliegtuig straalmotoren, elektriciteitsmotoren, luidsprekers, hooftelefoons, elektriciteitscentrale generatoren, rijstkokers, en zelfs gloeilampen hebben keramische onderdelen.

Siliciumproductie

Een ander materiaal dat kan profiteren van lasersnijden is silicium, wat veel toepassingen heeft. Precies snijden stelt ingenieurs in staat om kleinere siliciumonderdelen te produceren dan die gemaakt met andere snijmethoden.

Silicium is weerstandig tegen hoge temperaturen en veroudering, en het is gemakkelijk te bewerken. Typische toepassingen voor silicium vindt u in computers, elektronica, textiel, huishoudproducten, auto's en bouw.

Conclusie

De introductie van lasersnijden heeft waardevolle voordelen geboden aan de productie-industrie. De machine helpt om veel materialen in één keer te snijden, wat tijd bespaart en exploitatiekosten verlaagt. Het begrijpen van de voor- en nadelen van lasersnijden helpt u de beste keuze te maken voor uw project.