تکنولوژی برش لیزر

تکنولوژی برش لیزر

در سالهای اخیر تكنولوژیهای جديدی در عرصه صنعت برشکاری با لیزر معرفی شده است. فناوریهای جديد در عرصه تولید لیزر از
قبیل لیزرهای فیبری و ســاير نوآوریها، چالشهای بزرگی را پیش روی صنعتگران و متخصصان قرار داده است. امروزه با توسعه صنايع
ورقکاری، بهرهگیــری از فناوریهای جديد برای بهبود کیفیت محصولات و کاهش هزينهها و زمان عملیات برشکاری از اهمیت فراوانی
برخوردار شده است. از اين رو شناخت اين فناوریها در کنار نیازسنجیهای تولید، ما را در انتخاب ماشینآلات مناسب ياری خواهد کرد
تا با کاهش هزينههای تولید و تســريع زمان تولید محصولات، به بهرهوری در سیســتمهای تولیدی رسید.
تفاوت عمدهی
ماشــین آلات برشکاری لیزر در منبع تولید پرتو لیزر است.
علارغم اينكه تجهیزات جانبی و فنی ماشینآلات، از قبیل سرعت حرکت
محورها ، دقت حرکتی يا سیســتمهای کنترلی از اهمیت فراوانی برخوردار است، با اين وجود منبع تولید لیزر اصلی ترين عامل تعیین
تكنولوژی برش در مجموعههای برشکاری ورقهای فلزی می باشد. هزينههای تعمیر و نگهداری ماشینآلات برشکاری لیزر معمولاً صرف
تجهیز يا ســرويس منبع تولید لیزر میگردد. از اين رو انتخاب صحیح ماشینآلات با توجه به نیازها و توانايیهای دستگاه تاثیر مستقیم
بر روی کاهش هزينههای تولید خواهد داشــت. در اين مقاله، دو نمونه از تكنولوژیهای تولید لیزر(لیزرهای
CO2و لیزرهای فیبری) که
بیشترين ســهم را در صنايع برشکاری لیزر دارند، به اختصار توضیح داده و به محدوديتها و فوايد هر يک اشاره خواهیم کرد تا بستر
مناسب جهت نیازسنجی و انتخاب صحیح تكنولوژی ماشینآلات برشکاری لیزر فراهم گردد.

 

برش لیزر فلزات

برش لیزر


لیزرهای  سه او ۲ :


لیزرهای CO2شناخته شــده ترین لیزرهای موجــود در صنایع
برشکاری با لیزر هســتند. دستگاههای برشکاری با منبع لیزرهای
CO2از بر انگیختن اتمهای ترکیب گازی CO2-N2-Heبا جزء فعال
،
CO2پرتو لیزر را تولید و به کمک آینههایی با ویژگیهای خاص به
هد دستگاه منتقل می کند تا با همگرا ساختن و متمرکز کردن پرتو
لیزر بر روی ورق، عملیات برش انجام پذیرد.


لیزرهای فیبری


دستگاههای برشکاری لیزر فیبری با بهرهگیری از تکنولوژیهای
نوینــی همچون لیزرهای دیودی و فیبرهای نــوری آلائیده
۱عرصه
جدیدی را در بهرهگیــری از فناوریهای لیزر برای برشکاری انواع
ورقهای فلزی گشودهاســت. در طی دههی اخیر با توسعه فناوری
تولیــد لیزرهای دیودی تــوان بالا، لیزرهای پر قــدرت وارد صنایع
برشکاری شدهاند. در این نوع منابع تولید لیزر به دلیل عدم استفاده
از هر گونه المان اپتیکی(مانند آینه، عدسی و منشور) در تولید لیزر،
این تشدید کنندهها حساســیت بسیار کمی در برابر ضربه و لرزش
دارند. عوامل تاثیرگذار همچون استفاده از دیودهایی با عمر چند ده
هزار ساعت، هدایت پرتو لیزر به هد دستگاه بوسیله فیبر نوری و در
نتیجه انعطاف پذیری بسیار بالا و جابجائی بار حرارتی بالا (با توجه
به ویژگیهای هندسی فیبر نوری، ضخامت کم و طول زیاد) پایداری
بالا و هزینه نگهداری پایینی را برای دســتگاه برشکاری فیبری به
ارمغان آوردهاست.


کاربرد لیزرها


کاربردهای انواع لیزرها اساســاً با توجــه طول موجهای لیزرهای
تولیدی تعیین میشــود. لیزرها طیف گسترده ای از طولموجها را
CO
در بر می گیرند. تفاوت اساسی بین لیزرهای فیبری و لیزرهای ۲
طول موج تولید شده توسط نور لیزر آنها است. به طور تقریبی طول
موج لیزرهای فیبــری
۱ μmو طول موج لیزرهای،۱۰ μm CO2
۱ doped
میباشد.


هم اکنون، تــوان لیزرهایی که به عنوان منبع تولید پرتو لیزر در
صنعت برشکاری ورقها به کار میروند، با توجه به محدودیتهای
ایمنی و فنی حداکثر تا توان ۶کیلو وات میباشند. از مقایسه حداکثر
ضخامتی برشــی که دو لیزر ۴
CO2کیلووات(بیشــترین توان قابل
ارائه توسط سازندگان دســتگاه برشکاری با لیزر) و لیزر فیبری ۲
کیلووات(رایجترین لیزر فیبری مورد استفاده در صنایع برشکاری)
بر روی ورقهایــی با جنس فولاد نــرم
)( mild steel (MSکه از
گازهــای
O2و N2به عنــوان گاز کمکی برشکاری در فرآیند برش
استفاده شــده اســت،) فولاد ضد زنگ-
)،- Stainless steel(SS
آلومنیــوم، برنج و مس – – Copper/Brassمیتوانند انجام دهند،
نمودار .۱مقايسه ضخامت ورق هايی با جنس متفاوت
که توسط لیزرهای فیبری و برش میخورند.

نمودار برش لیزر فلزات

برش لیزری فلزات

این نتیجه بدســت میآید که انتخاب تکنولوژی دستگاه برشکاری
لیزر، بستگی به جنس و ضخامت ورقی دارد که باید برش بخورد.
صرفه اقتصادی تكنولوژیهای برشکاری لیزر
اگر هر دو لیزر فیبری و لیزر CO2محدوده مورد نظر ما را از نظر
ضخامت و جنس ورقهایی که قابلیت برشکاری دارند، در برگیرند،
آنچه که ما را در انتخاب یکی از آنها کمک می کند، صرفه اقتصادی
تکنولوژی مورد نظر میباشد. از آنجائیکه عوامل زیادی بر روی قیمت
نهائی قطعه برشکاری شده موثر میباشند پاسخ به این سوال بسیار
پیچیدهاســت. با اینحال، میتوان به چند مورد از پارامترهای تاثیر
گذار اشاره کرد:


مصرف برق
بدون هیچگونه تردیدی، با توجه به اساس کارکرد لیزرها، مصرف
برق برای لیزرهای فیبری به مراتــب کمتر از مصرف برق لیزرهای
CO2میباشد. بازدهی لیزر فیبری( نرخ توان خروجی لیزر به مصرف
بــرق ورودی) تقریباً ۲۵درصد و برای لیزرهــای
CO2تقریباً ۱۰
CO
درصد میباشد. در مقایسه کل مجموعه رزوناتورهای فیبری و ۲
مجموعه خنککاری لیزرهــای فیبری باید ۷۵درصد انرژی ای که
تلف شده است را خنک کنند در حالی که برای لیزرهای
CO2این
مقدار ۹۰درصد اســت که خود مصرف برق بالایی را به سیســتم
لیزرهای
CO2تحمیل میکند.


مصرف گاز( جزء فعال تولید اشعه لیزر)
از آنجائیکه لیزرهای فیبری در زیر مجموعه لیزرهای حالت جامد۲
قرار دارند هیچگونه مصرف گازی به عنوان گاز برانگیختهشــده در
فرآیند تولید اشعه لیزر ندارند در حالی که لیزرهای
CO2برای تولید
CO
لیزر، نیاز به مصرف گاز موثر که شامل ترکیبی از گازهای ۲-N2
Heاست، دارند.


مصرف گاز کمكی برش
گاز کمکی برش دو نقش اساســی را در فرآینــد برشکاری ایفا
میکند:
-۱محافظت از حوضچه مذاب در برابر اکسیدشــدن برای فلزات
.اکسید پذیر
-۲تخلیــه حوضچه جوش از مذاب و نیز کمک به فرآیند ذوب و
.بخار شدن فلز در حوضچه مذاب
بــرای برش ورقهایی با جنسهای مختلف باید از گازهای کمکی

متناســب با جنس آنها( که عموماً گازهای N2 ، O2و هوا هســتند)
بهــره برد. از نظر هزینه در اغلب مــوارد هزینه گاز کمکی برش در
حد هزینه مصرف برق یا حتی بیشتر از آن نیز میباشد. مصرف گاز
کمکی به قطر نازل هد دســتگاه و فشار مورد نیاز برای انجام فرآیند
برش بستگی دارد.


مصرف هوای فشرده
عموماً دســتگاههای برشکاری لیزر از هوای فشرده برای عملکرد
کلی دستگاه استفاده میکنند(شیرهای پنوماتیکی، سیلندرها و ..).
لیزرهای
CO2عاوه بر این، برای هدایت اشــعه لیزر از منبع تولید
لیزر به هد دســتگاه از طریق آینهها نیاز به هوای فشرده با کیفیت
بــالا( عاری از هرگونه رطوبت و غبار) دارند. در حالیکه در لیزرهای
فیبری انتفال لیزر از منبع تولید به هد دســتگاه از طریق فیبر نوری
انعطافپذیــر انجام مییابد ولی برای خنــککاری هد نیاز به هوای
فشرده میباشد.


هزينه نگهداری
برای استفاده از ماشینآلات صنعتی در طی سالهای متمادی نیاز
به تعمیر و نگهداری متناوب آنها میباشــد. با توجه به پیشرفتها و
توسعه ساخت لیزرها، امروزه، هزینههای تعمیر و نگهداری به شدت
کاهش یافته است. دستگاههای برشکاری لیزر
CO2جدید دیگر از
منابع تولید اشــعه لیزر پر هزینه که شــامل توربینها
۵و تیوبهای
شیشه ای
۶بودند، استفاده نمیکنند. همچنین لیزرهای حالت جامد
نسل جدید مانند لیزرهای فیبری، دیگر از پمپهای خاء
۷پر هزینه
یا سیســتم اپتیکی داخلی که نیاز به تعویــض یا تعمیر دارند، بهره
نمیبرند. در نتیجه میتوان گفت منابع تولید لیزر نســل جدید کم
هزینهتر و اقتصادیتر هستند.


Stand-by هزينه
بعضی از عوامل تاثیرگذار بر روی هزینه نهایی عملیات برشکاری
متاثر از عواملی اســت که عموماً مورد توجــه قرار نمیگیرند. برای
مثال زمانی که برای تعویض لنز متمرکز کننده هد دســتگاه یا نازل
و نیز تعویض میزکاری و حتــی زمانی که هد برای جابجائی از یک
خط برش به خط برش دیگر صرف میکند از عوامل بســیار مهم در
محاسبه هزینههای برشکاری می باشند. بنابراین هرچه زمان آماده
به کار شدن دستگاه
۸کمتر و سرعت حرکت بالاتر باشد، هزینهها نیز
کاهش خواهد یافت.

 

تکنولوژی برش لیزر


بــرای انتخاب بهترین تکنولوژی برای فرآیند برشکاری لیزر باید
به این سوال پاسخ دادکه ماک واقعی برای تولید بهینه
۹یک ماشین
برشکاری لیزر چیســت؟ تولید بیشترین محصول ممکن، تولید با
کمترین هزینه ، تولید با بهترین کیفیت(کیفیت سطح برش) یا آنچه
که امروزه مورد نظر اکثر تولیدکنندگان است:
تولید بهتر، ارزانتر و
سریعتر
.


بهتریــن ابزار بــرای بــرای ارزیابی دســتگاه های متفــاوت یا
تکنولوژیهای مختلف، ســنجش نیازها براساس محاسبات زمان و
هزینه میباشد. زیرا هیچ کدام از عواملی همچون سرعت برشکاری
یا هزینه کاربری در هر ســاعت به تنهایی، نمیتوانند معیار مناسبی
برای گزینش بهترین راهکار باشد.
همانگونه که در نمودار ۲مشاهده میکنید هزینه ماده خام اولیه
که همان ورق میباشــد، تاثیر گذارتریــن عامل بر روی هزینههای
نهایی تولید است. بنابراین انتخاب تکنولوژی باید بر اساس نیازها و
محدودیتها شکل گیرد.

برش لیزر فلزات

تکنولوژی برش لیزر


نمودار بالا هزينه های تولید


دستگاه برشکاری لیزر
حال، با توجه به نگرشی که به فرآیند برشکاری لیزر بهینه داریم
می توان دستگاهی را انتخاب کرد که به طور کامل نیازهای ما را در
برگیرد و بازدهی حداکثری را تضمین نماید. هنگامی که با توجه به
فرآیند تولید سرعتهای برشکاری بالا امکان پذیر باشد، ویژگیهای
حرکتی
۱۰و پایداری ۱۱دستگاه بیشتر تاثیرگذار خواهند بود.
در مقیاســه دو ماشین که هر دو توانایی برش محصولی با نقشه،
ضخامت و ســرعت برشکاری یکسانی را دارند، ماشینی که قابلیت
حرکتی بالاتری دارد با ســرعت بیشتری به سرعت برشکاری مورد
نظر میرسد و سریعتر فرآیند برش را به اتمام میرساند.


علیرغم اهمیت سیســتم حرکتی ســریعتر، پایداری و صلبیت۱۲
دســتگاه در طی سرعت و شــتابهای ۱۳بالا ، بدون تغییر در دقت
ابعادی و کارائی آن، دسترسی آسان، زمان آمادهسازی کم و عملیات
نگهداری راحتتر از عوامل تاثیر گذار میباشد.



نرم افزارهای طراحی و ســاخت به کمک کامپیوتر بر روی
دستگاه لیزر
نرم افزارهای هوشمند و کارا از عوامل موثر در تولید بهینه قطعات
برشکاری هســتند. نرم افزاری که قابلیت چینش نقشــه قطعات
برروی ورق به طور بهینه(کمترین دورریز )را داشته باشد و همچنین
مســیر حرکت هد از روی یک خط بــرش بر روی دیگری را به طور
بهینه(کوتاهترین مســیر) مهیا سازد، در مجموع زمان برشکاری را
کاهش میدهد. الگوهای برشکاری هوشمند
۱۴همچون fly-cutng
یــا common-line nestngاز قابلیتهــای نرمافزارهای کارا و
هوشمند برشکاری با لیزر می باشند.


از آنجائیکه پارامترهای برشکاری لیزر بر روی کیفیت سطح برش
بسیار تاثیرگذار هستند، نقش نرمافزارهای طراحی و ساخت هوشمند
در افزایش کیفیت محصول بســیار پررنگ میباشد. ازاینرو انتخاب
دستگاه سازگار با یک نرم افزار هوشمند نیز بسیار حائز اهمیت است.
نتیجه گیری
در ایــن مقاله هیچگاه یک پاســخ نهائی بــرای انتخاب بهترین
تکنولوژی لیزر داده نشدهاســت زیرا همانطور که توضیح داده شد،
نیازســنجی تولیدکنندگان در کنار شــناخت کافی از ویژگیهای
تکنولوژیهای دستگاههای لیزر بهترین راهکار برای انتخاب دستگاه
مناسب خواهدبود.

نویسنده مقاله سینا شکورزاده