Lasersnijden uitgelegd:technieken, typen en toepassingen

Er zijn verschillende toepassingen voor lasersnijden, een thermische techniek, in de industriële productie. Zelfs de meest ingewikkeld gevormde metalen platen kunnen snel worden gegraveerd en gesneden door lasersnijmachines, wat superieure resultaten oplevert.

Een lasersnijder is een apparaat dat tweedimensionale componenten creëert voor zowel industrieel als hobbymatig gebruik door in een verscheidenheid aan plaat- of plaatmaterialen te snijden met behulp van een geconcentreerde laserstraal met hoge energie. Staal, hout en sommige polymeren zijn veel voorkomende materialen.

Naast het schetsen van de verschillen tussen de verschillende lasersnijmethoden. In deze lezing zullen we onderzoeken wat lasersnijden is, het gebruikt, de soorten, materialen en hoe het werkt. we zullen het ook hebben over de voor- en nadelen.

Laten we beginnen!

Leer meer over autogeen snijden met deze gedetailleerde gids!

Lasersnijden is de methode waarbij materialen worden gesneden met behulp van een laser met hoog vermogen die wordt geleid door computernumerieke besturing (CNC) via optica.

Deze methode wordt vaak gebruikt voor het snijden van materialen, waaronder metalen, kunststoffen, keramiek, hout, textiel en papier, in verschillende sectoren, waaronder de automobielsector, de lucht- en ruimtevaart, de elektronica en de medische sector.

Met behulp van een coaxiale gasstraal wordt bij het lasersnijden een geconcentreerde laserstraal gebruikt om materiaal op een specifieke locatie te smelten en een kerf te produceren. Gas heeft geen invloed op de laserstraal zelf, maar kan voorwerpen wel efficiënt verbranden, smelten of verdampen.

Het eventuele vuil dat ontstaat, kan vervolgens worden weggeblazen, waardoor een hoogwaardige eindrand wordt gegarandeerd. Etsen en lassen kan ook met behulp van lasersnijden.

Neodymium (Nd) lasers, CO₂ lasers en neodymium yttrium-aluminium-granaat (Nd:YAG) lasers zijn de drie belangrijkste methoden voor lasersnijden. De prestaties van een laser kunnen worden beïnvloed door het soort laser.

Nauwkeurigheid, precisie, minder vervuiling en eenvoudiger werkstukopspanning zijn enkele voordelen van lasersnijden. Specifiek staan fiberlasers bekend om hun uitzonderlijke precisiesnijmogelijkheden.

Het vermogen van fiberlasers om over langere afstanden een constante straalkwaliteit te leveren, is een van de belangrijkste voordelen; dit maakt uniform snijden mogelijk in een reeks materialen en diktes. Deze uniformiteit vermindert de noodzaak voor verdere verwerking en verbetert de randkwaliteit.

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” of “Laser” is een afkorting die verwijst naar de fysica van het produceren van laserlicht. Hoewel de basisprincipes van de laserfysica nog steeds hetzelfde zijn, wordt deze technologie vaak op drie manieren gebruikt:Nd:YAG-lasers, CO2 en glasvezel.

Gemeenschappelijk gebruik van lasersnijden

• Het snijden van plaatstaal is een veelgebruikte techniek voor het snijden van platen en platen van verschillende materialen.
• Graveren:Voegt elegante houtmarkeringen of serienummers toe aan vrijwel elk materiaal.
• Laserlassen:Met behulp van een laserstraal kunnen metalen of thermoplastische materialen nauwkeurig worden verbonden.
• Buissnijden:deze methode snijdt ingewikkelde profielen op holle onderdelen met behulp van een roterende as.

Diagram

Soorten lasersnijden

Bij lasersnijtoepassingen worden vaak drie verschillende soorten lasers gebruikt. In tegenstelling tot vastestofvezels en Nd gebruiken CO2-lasers CO2 samen met verschillende inerte gassen als lasermedium. Een kristal dient als lasermedium in YAG-lasers. Deze verschillende lasers werken allemaal op basis van hetzelfde uitgangspunt.

Nd:YAG/Nd:YVO-lasers

In een Nd:YAG-laser wordt een neodymium (Nd)-gedoteerd yttrium-aluminium-granaatkristal (Y₃Al₅O₁₂) gebruikt. Sommige yttriumionen (+-1%) worden door doping vervangen door Nd³⁺-ionen.

Tussen dit kristal zijn twee spiegels geplaatst, één volledig reflecterend en één semi-reflecterend. Een set laserdiodes of een xenon/krypton-flitsbuis dient als pompende fotonenbron.

De pompbron in Nd:YAG-kristallen levert fotonen die het energieniveau van de neodymiumionen verhogen. Nadat ze tussen de spiegels zijn gespiegeld, vervallen de ionen en zenden ze een reeks fotonen uit die samen een coherente laserstraal vormen.

Een lens op de snijkop wordt gebruikt om de bundel coherent licht met hoge intensiteit, dat een frequentie heeft van 1064 nm, te concentreren, nadat het er door spiegels op is gericht.

Neodymium-gedoteerde vanadaatkristallen (YVO₄) worden gebruikt in Nd:YVO-lasers, die op dezelfde manier functioneren als Nd:YAG-lasers. Nd:YVO-lasers kunnen daarentegen meer pulsen per seconde produceren, hebben een betere vermogensstabiliteit en stoten minder warmte uit.

Nd:YAG-lasers zijn perfect voor markeren en etsen omdat ze een hogere vermogensdichtheid en een betere straalkwaliteit bieden dan fiberlasers. Nd:YAG-lasers daarentegen hebben een energie-efficiëntie van één cijfer en aanzienlijk hogere operationele kosten.

Fiberlasers

Een gedoteerde glasvezelkabel dient als lasermedium in fiberlasers. Fotonen worden in het ene uiteinde van een kwarts- of boorsilicaatglasvezelvezelfilament gepompt om een fiberlaserstraal te creëren.

Deze fotonen volgen het glasvezelfilament totdat ze het gebied bereiken waar zeldzame aardelementen zijn gedoseerd. Neodymium, yttrium, erbium of thulium zijn voorbeelden van typische elementen.

Wanneer ze worden gestimuleerd door de fotonen, zal elk van deze zeldzame aardelementen een laser genereren met een verschillende golflengte. Vervolgens worden Fiber Bragg-roosters gebruikt om het licht te vergroten.

Net als de reflecterende en semi-reflecterende spiegels die worden gebruikt in Nd:YAG- en CO2-lasers, reflecteren deze roosters licht heen en weer, waardoor een cascade van fotonen ontstaat.

Het licht kan door het rooster gaan als een coherente lichtbundel met hoge intensiteit zodra de intensiteit een bepaalde drempel overschrijdt. Net als andere lasers gebruikt een fiberlaser gas om het snijden te vergemakkelijken of om gesmolten materiaal uit het pad van de laserstraal te blazen.

De doorgaans kortere golflengten van fiberlasers resulteren in een verhoogde absorptie, waardoor ze ideaal zijn voor het reflecteren van materialen en het produceren van minder warmte tijdens het snijden.

Een vezelsnijkop kan bijvoorbeeld eenvoudig worden aangesloten op een 6-assige robotarm dankzij de flexibiliteit van de glasvezelkabel, waardoor de noodzaak voor talloze spiegels om de laser te sturen wordt geëlimineerd, wat nodig is voor een CO₂- of Nd:YAG-laser.

Het elektrisch rendement van fiberlasers is beter dan dat van CO₂-lasers. Om deze reden zijn reflecterende materialen en materialen die warmte effectief absorberen, zoals koper of goud, ideaal voor het snijden met fiberlasers.

Leer meer over laserbewerking met deze gedetailleerde gids!

CO₂-lasers

De componenten van een CO₂-laser (kooldioxide) zijn een buis gevuld met CO₂, helium en stikstofgas. Helium en stikstof worden toegevoegd om de laserefficiëntie te vergroten. De stikstof dient als energiereserve voor de korte termijn, die bij het vrijkomen van fotonen kan worden overgedragen naar het CO₂-molecuul.

Zodra het CO₂-molecuul daarentegen een foton vrijgeeft, gebruikt het helium kinetische energieoverdracht om eventuele resterende energie af te voeren, waardoor het energie uit het stikstofmolecuul kan absorberen.

De buis heeft aan één uiteinde een volledig reflecterende spiegel. Er is slechts een gedeeltelijke reflectie van de spiegel aan de andere kant. Het gas in de buis wordt geïoniseerd door een krachtig elektrisch veld dat de elektronen van de CO₂-moleculen naar een hogere energietoestand brengt, waardoor een foton en licht worden geproduceerd.

De aangeslagen toestand van een atoom geeft een foton vrij wanneer een foton er dichtbij passeert. Zodra er voldoende fotonen zijn verzameld om door de semi-reflecterende spiegel te stromen, weerkaatsen deze fotonen vervolgens tegen de twee spiegels.

De buis wordt gekoeld met behulp van een gas of vloeistof met een lage temperatuur, omdat het handhaven van een lage temperatuur in de buis essentieel is voor maximale efficiëntie. In bepaalde systemen wordt gas gerecycled om de bedrijfskosten te verlagen.

CO₂-lasers zijn goede universele lasers met een golflengte van 10.600 nm die plaat- en plaatmetaal en een verscheidenheid aan andere materialen kunnen snijden. Hoge warmteabsorptie en sterk reflecterende materialen zijn echter moeilijk voor CO₂-lasers om mee te werken.

Proces van lasersnijden

Meestal wordt een goede lens gebruikt om de laserstraal op het werkgebied te concentreren. De geconcentreerde spotgrootte houdt rechtstreeks verband met de straalkwaliteit. Normaal gesproken heeft het smalste gedeelte van de geconcentreerde straal een breedte van minder dan 0,32 mm (0,0125 inch).

Kerfbreedtes van slechts 0,004 inch (0,10 mm) zijn haalbaar, afhankelijk van de dikte van het materiaal. Elke snede begint met een lekke band, zodat het mes ergens anders dan de rand kan beginnen.

Voor het doorboren wordt vaak een krachtige gepulseerde laserstraal gebruikt, wat 5 tot 15 seconden duurt voor materialen zoals roestvrij staal van 0,5 inch dik (13 mm).

De parallelle coherente lichtbundels van de laserbron hebben doorgaans een diameter van 1,5 tot 2,0 mm (0,06 tot 0,08 inch). Om een extreem krachtige laserstraal te genereren, wordt deze straal vaak geconcentreerd en versterkt door een lens of spiegel tot een zeer klein gebied van ongeveer 0,001 inch (0,025 mm).

De richting van de bundelpolarisatie moet worden aangepast terwijl deze de rand van een geprofileerd werkstuk omcirkelt, om de schoonst mogelijke afwerking te verkrijgen tijdens het contoursnijden. De focuslengte voor het snijden van plaatmetaal is doorgaans 38 tot 76 mm.

Vergeleken met mechanisch snijden heeft lasersnijden de voordelen van een eenvoudiger werkhouding en minder vervuiling van het werkstuk, omdat er geen snijkant is die het materiaal zou kunnen vervuilen.

Omdat de laserstraal tijdens de procedure niet verslijt, kan de nauwkeurigheid worden verbeterd. Omdat lasersystemen slechts een kleine, door hitte beïnvloede zone hebben, is er bovendien minder gevaar dat het te snijden materiaal wordt vervormd.

Bovendien zijn bepaalde materialen onmogelijk of uiterst moeilijk te snijden met conventionele methoden. Hoewel de meeste industriële lasers niet door het dikkere metaal kunnen snijden dan plasma, heeft lasersnijden voor metalen het voordeel dat het nauwkeuriger is en minder energie verbruikt bij het snijden van plaatmetaal.

Hoewel hun kapitaalkosten aanzienlijk hoger zijn dan die van plasmasnijmachines die door dikke materialen zoals staalplaat kunnen snijden, komen nieuwere lasermachines die met een hoger vermogen werken (6000 watt, vergeleken met de 1500 watt-waarden van vroege lasersnijmachines) dicht in de buurt van plasmamachines wat betreft hun vermogen om door dikke materialen te snijden.

Gemeenschappelijke lasersnijmaterialen

Met lasersnijders kunnen verschillende materialen worden gesneden. Hieronder volgt een lijst met enkele van de meest gesneden materialen:

Leer meer over niet-traditionele bewerking met deze gedetailleerde gids!

Voelde

Vilt is een goedkope, niet-geweven stof die lastig met de hand te snijden is, maar gemakkelijk te snijden is met een lasersnijder. Placemats, sierpleisters en kleding kunnen allemaal van vilt zijn gemaakt. Het gebruik van 95-100% wolvilt wordt geadviseerd, omdat synthetisch vilt, dat vaak uit acryl bestaat, zeer slecht snijdt.

Leer

Portemonnees, riemen en schoenen zijn allemaal gemaakt van leer, een duurzaam, natuurlijk materiaal. Leer heeft een hoge waargenomen waarde en kan gemakkelijk met een laser worden gesneden en gegraveerd, vooral wanneer het wordt gebruikt om op maat gemaakte lasergesneden objecten te maken.

Nepleer is een term die wordt gebruikt om nepleer te beschrijven. Sommige hiervan kunnen intussen PVC bevatten, dat bij lasersnijden corrosieve dampen vrijgeeft.

kurk

De bast van de kurkeik levert kurk op, een zachte hardhoutsubstantie die vaak wordt gebruikt voor prikborden, antislip onderzetters en inlegzolen voor schoenen. Het lasersnijden en graveren van kurk is vrij eenvoudig.

Hardboard

Hardboard is een hardere, duurzamere optie dan MDF (Medium Density Fiberboard), terwijl het een grotere dichtheid heeft. Om de houtvezels met elkaar te verbinden wordt een lijm gebruikt.

Deze lijm verdampt tijdens het snijden. Hierdoor komen schadelijke gassen vrij die het gebruik van een uitlaatsysteem noodzakelijk maken. Omdat hardboard homogeen is, zijn snijden en graveren betrouwbaar.

Hout

CO2-lasers met een relatief bescheiden vermogen (150–800 W) kunnen gemakkelijk hout snijden. Omdat het lasersnijden van hout echter rook produceert, is een uitlaatsysteem essentieel.

Vanwege hun nerfstructuur kunnen natuurlijke houtsoorten bij het snijden of graveren een ongelijkmatige afwerking hebben. Het is mogelijk om zowel hardhout als zachthout te lasersnijden.

Messing

Koper, zink en enkele andere secundaire legeringsmetalen vormen samen messing. Messing heeft minimale wrijving, elektrische geleidbaarheid en weerstand tegen corrosie. Elektrische toepassingen en wrijvingsarme bussen zijn veel voorkomende toepassingen.

Aluminium

Een verscheidenheid aan aluminiumlegeringen met verschillende legeringscomponenten en toepassingen worden gezamenlijk aluminium genoemd. Vanwege de gunstige sterkte-gewichtsverhouding wordt aluminium veelvuldig gebruikt in vliegtuigtoepassingen.

Wanneer gesmolten is aluminium reflecterend, wat het snijden ervan een uitdaging maakt. Hoewel aluminium kan worden gesneden met een CO2-laser, is een fiberlaser het meest effectieve hulpmiddel voor het snijden van aluminium.

Roestvrij staal

Chroom en/of nikkel zijn de belangrijkste legeringselementen die voorkomen in roestvrij staal, dat wordt gecategoriseerd als een staallegering. Een grote verscheidenheid aan stoffen kan roestvrij staal niet beschadigen. Elke lasersnijmethode kan gemakkelijk roestvrij staal snijden. Maar voor het snijden van roestvrij staal werken fiberlasers beter.

Zacht staal of koolstofstaal

Een grote verscheidenheid aan staalsoorten met verschillende koolstofconcentraties als hun belangrijkste legeringsbestanddeel worden ‘koolstofstaal’ genoemd. Een ander soort koolstofstaal met een koolstofgehalte van minder dan 0,3% is zacht staal. Staal wordt sterker naarmate het meer koolstof bevat. Platen met een dikte van 20 tot 25 mm kunnen worden gesneden met krachtige lasers.

PMMA of acryl

Hoewel acryl een scherp snijvlak creëert, vereisen de vluchtige dampen die het uitstoot een uitlaatsysteem. Om de snijkant steviger te maken, moet de gasdruk worden aangepast om zowel de dampen weg te blazen als af te koelen.

Wanneer de snijkant nog steeds gesmolten is, zal een te hoge luchtdruk ervoor zorgen dat deze buigt. Acryl wordt soms aangeduid met de chemische naam polymethylmethacrylaat, of met de marketingnaam Perspex®.

Hoe werkt lasersnijden?

Bij het lasersnijden wordt een krachtige laser gebruikt en de straal of het materiaal wordt geleid door optica en computernumerieke besturing (CNC). De techniek volgt meestal een CNC- of G-code van het ontwerp dat met behulp van een motion control-systeem op het materiaal wordt gesneden.

De geconcentreerde laserstraal produceert een superieure oppervlakteafwerking door verbranding, smelten, verdampen of wegblazen door een gasstraal. Elektrische ontladingen of lampen in een gesloten container stimuleren de lasermaterialen om de laserstraal te produceren.

Er wordt een gedeeltelijke spiegel gebruikt om het lasermateriaal binnenin te reflecteren, waardoor het wordt versterkt totdat de energie voldoende is om het naar buiten te laten komen als een stroom coherent monochromatisch licht. Spiegels of glasvezel richten dit licht op het werkgebied door de straal via een lens te leiden die het versterkt.

De diameter van een laserstraal op het smalste punt is normaal gesproken minder dan 0,0125 inch (0,32 mm), maar afhankelijk van de dikte van het materiaal zijn kerfbreedtes van slechts 0,004 inch (0,10 mm) haalbaar.

Een doorsteekprocedure wordt gebruikt wanneer het lasersnijproces ergens anders dan aan de rand van het materiaal moet beginnen. Bij deze methode creëert een gepulseerde laser met hoge intensiteit een gat in het materiaal; Het duurt bijvoorbeeld 5 tot 15 seconden om door een roestvrijstalen plaat van 13 mm dik te branden.

Leer meer over CNC-machines met deze gedetailleerde gids!

Voordelen van lasersnijden

Een populaire industriële methode is lasersnijden. Enkele van de belangrijkste voordelen die bijdragen aan het wijdverbreide gebruik van lasersnijders in de productie worden hieronder opgesomd:

1. Veelzijdige materialen:Bijna elk materiaal kan door lasersnijders worden verwerkt. Het materiaal dat wordt gesneden, het laservermogen en de lasertechnologie hebben allemaal een aanzienlijke invloed op de maximale materiaaldikte die een lasersnijder kan snijden.
2. Beperkte nabewerking:Lasergesneden onderdelen hebben niet veel nabewerking nodig. Snijranden moeten in sommige situaties echter worden ontbraamd, bijvoorbeeld bij het snijden van metaal, omdat er mogelijk wat slak aan de rand blijft kleven.
3. Smalle sneden:Afhankelijk van het materiaal en de dikte kunnen lasers focussen op extreem smalle bundels, waardoor extreem kleine snijbreedtes mogelijk zijn (zo weinig als 0,1 mm).
4. Hoge precisie:in tegenstelling tot andere technologieën, zoals CNC-routers, belasten lasersnijders hun hoofd niet. Lasersnijders zijn daarom ongelooflijk exact en nauwkeurig.
5. Hoge snelheid:2D-profielen kunnen snel worden uitgesneden door lasersnijders. Bij het snijden van flexibele materialen zoals plastic kunnen hoge snelheden worden bereikt.
6. Geautomatiseerd:Er zit veel automatisering in lasersnijders. Bepaalde machines kunnen zelfs met weinig hulp van mensen onderdelen lossen en grondstoffen op het snijbed leggen.
7. Gereedschapskosten:Een verscheidenheid aan gereedschappen wordt niet gebruikt door lasersnijders, in tegenstelling tot CNC-bewerkingen. Omdat de lasersnijkop niet in contact komt met de grondstof, is er geen gereedschapsslijtage door wrijving.
8. Geen werkstukopspanning:Klemmen en ander werkstukopspanningsgereedschap zijn niet nodig voor lasersnijders om te snijden. Leg het materiaal eenvoudig op het snijbed; het beweegt niet tijdens het snijden.

Nadelen van lasersnijden

Ondanks alle voordelen heeft lasersnijden nog steeds een aantal nadelen, die hieronder worden beschreven:

1. Hoog elektriciteitsverbruik:Lasersnijden, en vooral de CO2-lasersnijtechnologie, verbruikt veel elektriciteit.
2. Beperkte dikte:de dikte die lasersnijders kunnen snijden, wordt beperkt door de mechanica van het richten van een laserstraal op een punt met hoge intensiteit. Normaal gesproken zijn ze beperkt tot materialen die uit plaat en plaat bestaan en een maximale dikte van 25 mm hebben. Hoewel dikker materiaal kan worden gesneden, bereiken gewone fabricagebedrijven dit niet vaak.
3. Gevaarlijke dampen:Bij het zagen van bepaalde materialen, zoals plastic of hout, kunnen gevaarlijke verbrandingsdampen ontstaan, die moeten worden vrijgegeven.
4. Duur onderhoud:de laserbuis is een versleten item dat bij sommige lasertechnologieën (zoals CO2) moet worden bijgewerkt, vaak tegen hoge kosten.
5. Hoge initiële kosten:Lasersnijders vereisen een grote initiële kapitaalinvestering. Goedkopere technologie, zoals plasma- of vlamsnijders, zou in sommige omstandigheden geschikter kunnen zijn.

Veelgestelde vragen

Wat wordt bedoeld met lasersnijden?

De methode die bekend staat als lasersnijden creëert een snijrand door materialen te verdampen met een laser. Hoewel het oorspronkelijk werd gebruikt voor industriële productie, maken scholen, kleine ondernemingen, architecten en hobbyisten er steeds meer gebruik van.

Hoeveel kost het lasersnijden?

De productietijd voor graveren en lasersnijden bedraagt € 1,- per minuut. Een service van 30 minuten kost £ 30, inclusief benodigdheden en opstelkosten voor het kunstwerk. De productietijd zou £ 60 bedragen als het een uur zou duren. Afhankelijk van de complexiteit en intensiteit van het werk kan er voor grotere opdrachten een korting beschikbaar zijn.

Wat is de methode van lasersnijden?

Bij het lasersnijproces wordt een laserstraal gefocusseerd op een klein punt met voldoende vermogensdichtheid om een lasersnede te creëren, meestal met behulp van een lens (en af en toe een concave spiegel). De afstand tussen de lens en het scherpgestelde punt, oftewel de brandpuntsafstand, bepaalt de lens.

Waar is lasersnijden goed voor?

Terwijl de warmte over het bed wordt overgebracht om secties uit de materiaalplaat te snijden, smelt deze en verdampt het materiaal vaak. Onderdelen worden eruit gehaald en kunnen verder verwerkt worden. Tot de vele toepassingen van lasersnijders behoren graveren, buizen snijden, laserlassen en het snijden van plaatwerk en platen.

Waarom is laser zo duur?

Deze elementen omvatten de kosten voor onderhoud en reparatie van machines, de kosten voor certificering en training van technici, en de overheadkosten die verband houden met het exploiteren van een medische spa of kliniek. 18 maart 2023