Κοπή με λέιζερ: Διαφορά μεταξύ των αναθεωρήσεων

'''Η κοπή με λέιζερ''' είναι μια τεχνολογία που χρησιμοποιεί ένα [[λέιζερ]] για να κόψει υλικά και συνήθως χρησιμοποιείται για βιομηχανικές εφαρμογές. Αρχίζει όμως να  να χρησιμοποιείται από σχολεία, μικρές επιχειρήσεις και χομπίστες. Η κοπή με λέιζερ λειτουργεί κατευθύνοντας, συνήθως μέσα από οπτικά συστήματα, την δέσμη ενός λέιζερ  υψηλής ισχύος  στο προς κοπή υλικό.  Για να κατευθύνουν ή το υλικό ή την παραγόμενη  ακτίνα λέιζερ, χρησιμοποιούνται και τα οπτικά του λέιζερ αλλά και ένα CNC (computer numerical control).  Ένα τυπικό εμπορικό λέιζερ για την κοπή υλικών αποτελείται από ένα CNC που μπορεί να εκτελέσει τον κώδικα  [[G-code|G-κώδικα]] για την κοπή του επιθυμητού σχέδιου πάνω στο υλικό. Η εστιασμένη ακτίνα λέιζερ κατευθύνεται στο υλικό, το οποίο στη συνέχεια  λιώνει, καίγεται ή ατμοποιείται,  ή πετάγεται μακρυά από το φύσημα με ένα αέριο,<ref>Oberg, p. 1447.</ref> αφήνοντας μια επιφάνεια κοπής με ένα υψηλής ποιότητας φινίρισμα . Βιομηχανικοί κόπτες λέιζερ χρησιμοποιούνται για την κοπή επίπεδων φύλλων υλικών, καθώς και δομικών υλικών και  υλικών σωληνώσεων.

 Η πρώτη μηχανή παραγωγής κοπής με  λέιζερ χρησιμοποιήθηκε το 1965 για να κάνει τρύπες σε ένα υπόστρωμα από διαμάντι. Αυτή η μηχανή κατασκυεάστηκεκατασκευάστηκε από την Western Electric Engineering Research Center.<ref>{{harvnb|Bromberg|1991|p=202}}</ref>  Το 1967, οι Βρετανοί πρωτοστατούσαν στις υποβοηθούμενες από οξυγόνο κοπές μετάλλων με λέιζερ.<ref>The early days of laser cutting, par P. A. Hilton, 11th Nordic Conference in Laser Processing of Materials, Lappeenranta, Finland, August 20–22, 2007, http://www.twi-global.com/technical-knowledge/published-papers/the-early-days-of-laser-cutting-august-2007</ref> Στις αρχές της δεκαετίας του 1970, αυτή η τεχνολογία μπήκε στην παραγωγή για την κοπή τιτανίου για αεροδιαστημικές εφαρμογές. Την ίδια στιγμή  laserλέιζερ CO2CO₂ προσαρμόστηκαν  για την κοπή μη-μετάλλωνμεταλλικών υλικών, όπως [[Ύφασμα|υφάσματα]], επειδή, εκείνη την εποχή, τα laser λέιζερ CO₂ δεν ήταν αρκετά ισχυρά για να ξεπεραστεί η [[θερμική αγωγιμότητα]] των μετάλλων.<ref>CHEO, P. K. "Chapter 2: CO2 Lasers." UC Berkeley. UC Berkeley, n.d. Web. 14 Jan. 2015.</ref>

Η δημιουργία των δεσμών ακτίνων  [[λέιζερ]] περιλαμβάνει εξαναγκασμένη διέγερση ενός  υλικού από ηλεκτρικές εκκενώσεις ή λαμπτήρες μέσα σε ένα κλειστό δοχείο. Καθώς το υλικό διεγείρεται, η ακτίνα ανακλάται εσωτερικά από ένανένα ημιπερατό καθρέφτηκάτοπτρο, μέχρι να φτάσει σε επαρκή ενέργεια, ώστε να ξεφύγει σαν ένα ως μονοχρωματικό σύμφωνο φως. Συνήθως χρησιμοποιούνται καθρέφτεςκάτοπτρα ή οπτικές ίνες για να κατευθύνουν τη  σύμφωνο φως σε ένα φακό, ο οποίος εστιάζει το φως στη ζώνη εργασίας. Το στενότερο σημείο της εστιασμένης δέσμης είναι γενικά μικρότερο από 0,32 mm σε διάμετρο. Ανάλογα με το πάχος του υλικού, είναι δυνατά μικρά ''πλάτη τομής'' (kerf) της τάξης των 0,10mm .<ref>Todd, p. 185.</ref> Για να είναι δυνατό να ξεκινήση η  κοπή από άλλο σημείο και όχι από την άκρη του υλικού,πριν από κάθε κοπή πρέπει μα προηγηθεό διάτρηση. Η διάτρηση συνήθως γίνεται από έναν υψηλής ενέργειας παλμό δέσμης λέιζερ που σιγά-σιγά κάνει μια τρύπα στο υλικό, που χρειάζεται για παράδειγμα περίπου 5-15 δευτερόλεπτα για υλικού  [[Ανοξείδωτος χάλυβας|από ανοξείδωτο χάλυβα]] πάχους 13mm.

Οι παράλληλες ακτίνες του σύμφωνου φωτός από την πηγή λέιζερ συχνά περιορίζονται σε μία περιοχή διαμέτρου  μεταξύ 1,5-2mm.  Αυτή η δέσμη συνήθως στη συνέχεια εστιάζεται από ένα φακό ή έναν καθρέφτη σε ένα πολύ μικρό σημείο διαμέτρου περίπου 0,025mm, ώστε να δημιουργηθεί μια πολύ έντονη ακτίνα λέιζερ (μεγάλης πυκνότητας ισχύος ανά μονάδα επιφάνειας). Προκειμένου να επιτευχθεί το πιο λείο φινίρισμα κατά τη διάρκεια της κοπής ενός περιγράμματος, πρέπει να περιστρέφεται  η κατεύθυνση πόλωσης των ακτίνων   καθώς η δέσμη κινείται γύρω από την περιφέρεια της καμπύλης κοπής του κατεργαζόμενουυπό κατεργασία τεμαχίου. Για την κοπή μεταλλικών φύλλων, το εστιακό μήκος των φακών εστίασης, είναι συνήθως 38-76mm .<ref>Todd, p. 188.</ref>

Τα λέιζερ CO₂  συνήθως "διεγείρονται", είτε περνώντας ένα ρεύμα μέσα από το αέριο μίγμαμείγμα (διεγειρόμενα με DC ρεύμα) ή χρησιμοποιώντας την ενέργεια ραδιοσυχνότητας (RF-διεγειρόμενα). Η μέθοδος RF είναι νεότερη και έχει γίνει πιο δημοφιλής. Επειδή οι DC σχεδιασμοί απαιτούν ηλεκτρόδια μέσα στην κοιλότητα, μπορεί τα ηλεκτρόδια να  διαβρωθούν και το υλικό τους να εναπoτεθεί στα γυάλινα μέρη τους και στα οπτικά τους. Επειδή οι RF συντονιστές έχουν εξωτερικά ηλεκτρόδια δεν είναι επιρρεπείς σε αυτά τα προβλήματα.

Εκτός από την πηγή ισχύος, ο τύπος  του χρησιμοποιούμενου αερίου μπορεί επίσης να επηρεάσει την απόδοση. Σε ένα γρήγορο αντηχείο αξονικής ροής , το μείγμα διοξειδίου του άνθρακα, ήλιου και αζώτου κυκλοφορεί με υψηλή ταχύτητα από ένα στρόβιλο ή  ανεμιστήρα. Τα λέιζερ  εγκάρσιας ροής ανακυκλώνουν το αέριο μίγμα σε χαμηλότερη ταχύτητα, και έτσι χρειάζονται έναν πιο απλό ανεμιστήρα. Τα αντηχεία (resonators) που ψύχονται με πλάκα   ή διάχυση έχουν ένα στατικό πεδίο αερίου που δεν απαιτεί συμπίεση ή γιάλιναγυάλινα μέρη, με αποτέλεσμα οικονομία, επειδή δεν χρειάζεται  αντικατάσταση των των τουρμπινών η των γυάλινων μερών.

Υπάρχουν πολλές διαφορετικές μέθοδοι στην κοπή με λέιζερ. Οι διάφορετικές αυτές μέθοδοι χρησιμοποιούνται για την κοπή διαφορετικών υλικών. Μερικές από τις μεθόδους είναι η εξάτμιση, η τήξη και το φύσημα, τήξη  φύσημα και κάψιμο, σπάσιμο λόγω θερμικής καταπόνησης, κρύα κοπή και {{ασσαφές|burning stabilized laser cutting}}.

: Στην κοπή εξάτμισης η εστιασμένη ακτίνα θερμαίνει την επιφάνεια του υλικού μέχρι το σημείο βρασμού και δημιουργεί μια οπή. Η οπή οδηγεί σε μια απότομη αύξηση της απορροφητικότητας  βαθαίνοντας γρήγορα την οπή. Καθώς η οπή βαθαίνει και το υλικό βράζει, ο ατμός που παράγεται διαβρώνει το λιωμένο τοίχωμα εκτίναζονταςεκτίνασσοντας το λιωμένο υλικό και διευρύνοντας περαιτέρω την οπή. Συνήθως με αυτή τη μέθοδο κόβονται  μη τηκόμενα υλικά, όπως το ξύλο, ο άνθρακας και θερμοσκληρυνόμενα πλαστικά.

Η συνηθισμένη   τραχύτητα  της επιφάνειας κοπής Rz αυξάνει με το πάχος του φύλλου, αλλά μειώνεται με τηναύξησητην αύξηση της ισχύος του λέιζερ και της ταχύτητας κοπής. Κατά την κοπή χάλυβα χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα με το λέιζερ ισχύος 800 W,  η συνηθισμένη τραχύτητας Rz είναι 10&#x20;μm για το φύλλο πάχους 1&#x20;mm, 20&#x20;µm για 3&#x20;mm και 25&#x20;µm για 6&#x20;mm. Ο τύπος που δίνει την τραχύτητα είναι:<math />όπου: <math /> πάχος του φύλλου χάλυβα σε mm. <math /> η ισχύς του λέιζερ σε kW (μερικοί νέα κόπτες λέιζερ έχουν ισχύ 4&#x20;kW ή πειρσσότερο.); <math /> η ταχύτητα κοπής σε μέτρα ανά λεπτό<ref />

Τα υβριδικά λέιζερ έχουν ένα τραπέζι που κινείται σε έναν άξονα (συνήθως τον άξονα Χ), ενώ η κεφαλή λέιζερ μετακινείται κατά μήκος του μικρότερου (Υ) άξονα. Αυτό οδηγεί σε μια πιο σταθερή διαδρομή των ακτίνων  απότι μια μηχανή ιπτάμενων  οπτικών (που θα δούμε παρακάτω) και έχει σαν αποτέλεσμα πιο απλά συστήμτασυστήματα οπτικών καθοδήγησης της δέσμης. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε μειωμένη απώλεια ισχύος στο σύστημα μετάδοσης της δέσμης και μεγαλύτερη απόδοση ανά watt από τα συστήματα ιπτάμενων οπτικών.

Τα  λέιζερ  ιπτάμενων οπτικών χρηιμοποιούνχρησιμοποιούν  σταθερό τραπέζι ενώ η κεφαλή κοπής (με τη δέσμη λέιζερ) κινείται πάνω από το κατεργαζόμενο  κομμάτι  και στις δύο οριζόντιες διαστάσεις. Επειδή  το κατεργαζόμενουφιστάμενο κατεργασία κομμάτι δεν κινείται  κατά τη διάρκεια της επεξεργασίας συχνά δεν απαιτείται στερέωση του τεμαχίου. Η κινούμενη μάζα είναι σταθερή, οπότε δυναμική του δεν επηρεάζεται από το διαφορετικά μεγέθη των κατεργαζόμενων τεμαχίων. Οι μηχανές Flying optics είναι οι πιο γρήγορες, που είναι πλεονέκτημα όταν κόβουμε λεπτά τεμάχια.<ref />

  Οι μηχανές  πέντε και έξι- άξονων  επιτρέπουν, την κοπή διαμορφωμένων κομματιών. Υπάρχουν διάφορες μέθοδοι προσανατολισμού του λέιζερ ακτίνων σε ένα  διαμορφωμένο κομμάτι, διατηρώντας τη σωστή απόσταση εστίασης, απόσταση του ακροφυσίου κ. λ.π.

Τα παλμικά λέιζερ , τα οποία παρέχουν μία υψηλής ισχύος ριπή ενέργειας για ένα σύντομο χρονικό διάστημα είναι πολύ αποτελεσματικά σε ορισμένες διαδικασίες κοπής με λέιζερ, ειδικά για τη διάτρηση  ή όταν χρειάζονται είναι πολύ μικρές τρύπες ή πολύ χαμηλές ταχύτητες κοπής. Σε αυτές τις περιπτώσεις εάν χρησιμοποιούνταν μια σταθερή δέσμη λέιζερ, η θερμοκρασία  θα μπορούσε να φτάσει το σημείο τήξης ολόκληρου του κομματιού που θα κοπεί.