Βιομηχανική μηχανή κοπής λέιζερ

Ένας κόφτης λέιζερ λειτουργεί κατευθύνοντας μια δέσμη φωτός πολύ μικρής διαμέτρου και υψηλής ενέργειας κάθετα προς τα κάτω σε ένα φύλλο ή πλάκα υλικού για να το κόψει σε ένα 2-διαστατικό προφίλ μετακινώντας το λέιζερ στις κατευθύνσεις Χ και Υ κατά μήκος του κρεβάτι μηχανής. Αυτή η δέσμη λιώνει ή καίγεται μέσα από το υλικό με ένα μοτίβο που καθορίζεται από ένα σύνολο οδηγιών που δημιουργούνται από υπολογιστή που ονομάζονται G-code. Ένα ρεύμα αερίου υψηλής πίεσης χρησιμοποιείται μερικές φορές για να φυσήξει το λιωμένο υλικό έξω από τον πυθμένα του υλικού που κόβεται. Αυτή η διαδικασία γίνεται έτσι ώστε τα άχρηστα υλικά να μην παραμένουν στην περιοχή κοπής και να στερεοποιούνται αφού προχωρήσει η δοκός. Σε άλλες περιπτώσεις, η δέσμη λέιζερ απλώς εξατμίζει το υλικό. Η μέθοδος παραγωγής της δέσμης λέιζερ διαφέρει μεταξύ των τεχνολογιών, αλλά κατ 'αρχήν, όλες ακολουθούν τα βήματα που αναφέρονται παρακάτω:

Βήμα 1: Δημιουργία αρχείου G-code
Πριν πραγματοποιηθεί οποιαδήποτε κοπή, πρέπει να δημιουργηθεί ο κωδικός G για την εργασία κοπής. Το G-code είναι ένα σύνολο αναγνώσιμων από μηχανή οδηγιών που λένε στο μηχάνημα πού να μετακινήσει την κεφαλή κοπής με λέιζερ. Ο χειριστής μπορεί να δημιουργήσει τις οδηγίες με το χέρι για απλά σχήματα. Τα πιο σύνθετα σχήματα απαιτούν λογισμικό CAM (κατασκευή με τη βοήθεια υπολογιστή) για την αυτόματη δημιουργία αυτού του G-code από ένα παρεχόμενο αρχείο CAD (σχεδίαση με τη βοήθεια υπολογιστή). Αυτός ο κωδικός G πρέπει στη συνέχεια να σταλεί στο μηχάνημα μέσω σύνδεσης Wi-Fi ή μέσω μονάδας USB.

Βήμα 2: Δημιουργία δέσμης λέιζερ
Η δέσμη λέιζερ δημιουργείται μέσα στον συντονιστή. Διαφορετικές τεχνολογίες λέιζερ χρησιμοποιούν διαφορετικά μέσα για τη δημιουργία του λέιζερ. Ωστόσο, η φυσική της παραγωγής δέσμης είναι η ίδια για τις διαφορετικές τεχνολογίες λέιζερ.
Όταν ένα ηλεκτρόνιο διεγείρεται από ένα φωτόνιο, απορροφά την ενέργειά του για να μετακινηθεί σε μια υψηλότερη ενεργειακή κατάσταση. Απαιτείται ακριβής ποσότητα ενέργειας από ένα φωτόνιο για να ενεργοποιηθεί ένα ηλεκτρόνιο σε μια συγκεκριμένη ενεργειακή κατάσταση. Αυτή η διαδικασία είναι γνωστή ως διεγερμένη απορρόφηση.

Το ηλεκτρόνιο θα διασπαστεί σε ένα χαμηλότερο τροχιακό μετά από πολύ σύντομο χρονικό διάστημα. Αυτή η διάσπαση προκαλείται από μικρές διακυμάνσεις στο κβαντικό κενό που το αναγκάζουν να πέσει ξανά σε μια χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση. Κατά την αποσύνθεση, θα εκπέμπει ένα φωτόνιο. Αυτή η διαδικασία είναι γνωστή ως αυθόρμητη εκπομπή.

Η αυθόρμητη εκπομπή ενός φωτονίου δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία δέσμης λέιζερ, καθώς τα εκπεμπόμενα φωτόνια θα είναι ασυνάρτητα καθώς μετακινούνται σε τυχαίες κατευθύνσεις. Θα πέσουν επίσης στη βασική κατάσταση πολύ γρήγορα. Τα λέιζερ ξεπερνούν αυτό το ζήτημα χρησιμοποιώντας υλικά με μετασταθερή κατάσταση. Αυτή η διαδικασία επιτρέπει στο ηλεκτρόνιο να παραμείνει σε ημι-διεγερμένη κατάσταση για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα σε σύγκριση με τη χρονική κλίμακα που σχετίζεται με την αυθόρμητη εκπομπή (δηλ. χιλιοστά του δευτερολέπτου έναντι νανοδευτερόλεπτων).

Όταν ένα φωτόνιο αλληλεπιδρά με ένα ήδη διεγερμένο ηλεκτρόνιο στη μετασταθερή του κατάσταση, μπορεί να αναγκάσει το ηλεκτρόνιο να πέσει πίσω σε ένα τροχιακό χαμηλότερης ενέργειας. Όταν το ηλεκτρόνιο το κάνει αυτό, απελευθερώνεται ένα φωτόνιο με τις ίδιες ιδιότητες με το φωτόνιο που το διατάραξε αρχικά (δηλαδή την ίδια συχνότητα, φάση και πόλωση). Αυτή η διαδικασία ονομάζεται διεγερμένη εκπομπή και είναι ο μηχανισμός που χρησιμοποιείται για τη δημιουργία μιας δέσμης λέιζερ. Μόλις ξεκινήσει η διαδικασία, προκαλεί την απελευθέρωση ενός καταρράκτη φωτονίων που στη συνέχεια ταξιδεύουν προς τα κάτω στον σωλήνα.

Βήμα 3: Ενίσχυση λέιζερ
Όταν συμβεί η αρχική φάση της αυθόρμητης εκπομπής, τα φωτόνια θα εκτοξευθούν σε τυχαίες κατευθύνσεις. Ωστόσο, μερικά θα είναι κάθετα στους δύο καθρέφτες σε κάθε άκρο του μέσου λέιζερ. Αυτή η κατάσταση δημιουργεί δύο κύματα φωτός (ένα που ταξιδεύει αριστερά και ένα ταξιδεύει δεξιά στο μέσο) που δημιουργεί ένα στάσιμο κύμα που αποτελείται από εποικοδομητικές και καταστροφικές παρεμβολές. Όταν παράγονται αυτά τα στάσιμα κύματα, αυτό αναφέρεται ως συντονισμός. Η ένταση του φωτός αυξάνεται σε σημείο που ο ημι-ανακλαστικός καθρέφτης θα επιτρέψει λίγο φως να το διαπεράσει, δημιουργώντας μια συνεκτική δέσμη ενέργειας λέιζερ. Το υπόλοιπο φως συνεχίζει να αντανακλάται στο μέσο λέιζερ για να συνεχιστεί η διεγερμένη εκπομπή φωτονίων. Διαφορετικές τεχνολογίες λέιζερ παράγουν λέιζερ με διαφορετικά μήκη κύματος.

Βήμα 4: Κατεύθυνση δέσμης και εστίαση
Καθώς η δέσμη εξέρχεται από το μέσο λέιζερ μετά την ενίσχυση, κατευθύνεται είτε μέσω ενός καλωδίου οπτικών ινών (στην περίπτωση ενός λέιζερ ινών) είτε μέσω μιας σειράς κατόπτρων (για λέιζερ CO2 και Nd:YAG). Η δέσμη κατευθύνεται προς τα κάτω στο φύλλο υλικού μέσω ενός φακού που εστιάζει την ενέργεια του λέιζερ σε μια πολύ μικρή διάμετρο για να δημιουργήσει ένα εντοπισμένο σημείο υψηλής ενέργειας. Σημειώστε ότι το λέιζερ έχει μόνο ένα μόνο σημείο εστίασης υψηλής έντασης. ολόκληρη η δοκός δεν έχει την ίδια ένταση κοπής. Η διαφορά στην ένταση είναι ο λόγος για τον οποίο οι κόφτες λέιζερ περιορίζονται στο πάχος του υλικού που μπορούν να κόψουν, καθώς η ένταση του λέιζερ πέφτει πάνω και κάτω από το σημείο εστίασης.

Βήμα 5: Κοπή υλικού
Μόλις εστιαστεί η δέσμη, θα αρχίσει να λιώνει ή να εξατμίζει το υλικό. Στην περίπτωση υλικών που δεν λιώνουν, όπως το ξύλο, το λέιζερ θα καεί μέσα από το υλικό. Με τα μέταλλα, η δέσμη λέιζερ θα λιώσει το υλικό και ένας πίδακας αερίου υψηλής πίεσης θα διώξει το λιωμένο υλικό μακριά από την κοπή. Το αέριο μπορεί να είναι είτε αδρανές άζωτο ή αργό είτε μπορεί να είναι οξυγόνο που χρησιμοποιείται για την επιτάχυνση της διαδικασίας κοπής του χάλυβα.