Laserstrahlbearbeitung:Teile, Arbeitsprinzip, Anwendungen und Einschränkungen

In diesem Artikel erfahren Sie, was Laserstrahlbearbeitung ist ?, Wie funktioniert es? erklärte seine Teile , Funktionsprinzip mit Diagramm . Und auch die Vorteile und Nachteile der Laserstrahlbearbeitung.

Einführung

Was ist Laserstrahlbearbeitung?

Laserstrahlbearbeitung ist ein nicht konventioneller Bearbeitungsprozess, bei dem ein Laser zur Bearbeitung auf das Werkstück gerichtet wird. Dieser Prozess verwendet thermische Energie, um Metall von metallischen oder nichtmetallischen Oberflächen zu entfernen.

Der Laser ist elektromagnetische Strahlung. Es erzeugt monochromatisches Licht in Form eines nahezu kollimierten Strahls, der optisch auf sehr kleine Punkte von weniger als 0,002 mm Durchmesser fokussiert werden kann.

Der „LASER Das Wort steht für Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.

Arbeitsprinzip der Laserstrahlbearbeitung

Nehmen wir an, dass sich die Atome eines Mediums (z. B. eines Rubinkristallstabs) im Grundzustand befinden. Wenn ein Energiequant von einer Lichtquelle auf dieses Medium fällt, bewirkt es eine Strahlungsabsorption durch die Atome des Mediums.

Dadurch springt ein Elektron der Atome des Mediums auf das obere Energieniveau.

Die Atome im oberen Energieniveau befinden sich dann in einem angeregten Zustand. Das Atom in einem angeregten Zustand beginnt sofort, spontan in den metastabilen (Zwischen-)Zustand zu fallen.

Aus dem metastabilen Zustand emittiert das Atom zufällig ein Photon, bevor es auf das ursprüngliche Energieniveau fällt. Diese Strahlung von Photonen ist als spontane Emission bekannt, die extrem schnell ist.

In Gegenwart von Licht der geeigneten Frequenz tritt jedoch eine stimulierte Emission auf der oberen Energieebene auf, wenn die Atome zu emittieren beginnen und die Kettenreaktion auftritt, indem mehr emittiert werden und die gesamte Lawine zusammen herunterstürzt. Dies wird als Laserwirkung bezeichnet.

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Teile der Laserschaltung

Im Folgenden sind die Hauptteile der Laserstrahlbearbeitung aufgeführt:

1. Ein Paar Spiegel
2. Eine Energiequelle
3. Ein optischer Verstärker.

Dieser Verstärker wird als Laser bezeichnet . Zu diesen Grundteilen müssen ein Steuersystem und ein Kühlsystem hinzugefügt werden. Der wichtigste Teil des Lasergeräts ist der Laserkristall . Der üblicherweise verwendete Laserkristall ist ein künstlich hergestellter Rubin, der aus Aluminiumoxid besteht, in das 0,05 % Chrom eingebracht wurde.

Die Kristallstäbe sind meist rund und die Endflächen durch Spiegel verspiegelt. Das Lasermaterial benötigt eine Energiequelle namens Pumpe . Dies kann eine mit Xenon-, Argon- oder Kryptongas gefüllte Blitzlampe sein. Die Lampe befindet sich in der Nähe des Verstärkers oder Kristallstabs in einem hochreflektierenden Zylinder, der das Licht der Blitzlampe in den Stab lenkt, damit möglichst viel Energie vom Lasermaterial absorbiert werden kann.

Die Chromatome im Rubin werden dadurch auf hohe Energieniveaus angeregt. Das angeregte Atom gibt Energie (Photonen) ab, nachdem es in seinen normalen Zustand zurückgekehrt ist. Auf diese Weise wird in kurzen Pulsen eine sehr hohe Energie gewonnen. Der Rubinstab wird bei hohen Temperaturen weniger effektiv, daher wird er kontinuierlich mit Wasser, Luft oder flüssigem Stickstoff gekühlt.

Arbeitsweise der Laserstrahlbearbeitung

Im Betrieb wird das zu schneidende Werkstück auf den Aluminium-Arbeitstisch gelegt (der widerstandsfähig gegen das Schneiden durch Laserstrahlen ist).

Der Laserkopf wird über das Werkstück gefahren und ein Bediener inspiziert den Schnitt visuell, während er das Steuerpult manuell einstellt.

Das tatsächliche Profil wird von einem verknüpften Mechanismus erhalten, der zum Kopieren der Originalzeichnung oder des tatsächlichen Profils dient und auf einer nahe gelegenen Bank platziert wird.

Der Laser hat bei kurzen Pulsen eine Leistung von knapp 10 kw‘cm des Strahlquerschnitts.

Durch die Fokussierung eines Laserstrahls auf einen 1/100 Quadratmillimeter großen Fleck kann der Strahl in einem kurzen Blitz auf eine Leistungsdichte von 100.000 kW/cm und eine Energie von mehreren Joule konzentriert werden, die für den Bruchteil einer Sekunde anhält.

Für die Bearbeitung werden kurze Pulse von beispielsweise 100 Joule Energie benötigt.

Der Laser kann daher genügend Wärme liefern, um alle bekannten Materialien zu schmelzen und zu verdampfen.

Der Mechanismus, durch den ein Laserstrahl Material von der bearbeiteten Oberfläche entfernt, beinhaltet eine Mischung aus Schmelz- und Verdampfungsprozessen.

Bei einigen Materialien ist der Mechanismus jedoch reine Verdunstung.

Bearbeitungsrate

Der Laser kann sowohl zum Schneiden als auch zum Bohren verwendet werden. Die Materialabtragungsrate in LBM ist vergleichsweise gering und liegt in der Größenordnung von 4000 mm/h.

Der Schnitt ergibt sich aus der folgenden Beziehung:

Wo,

P =Auf die Oberfläche einfallende Laserleistung, W

E =Verdampfungsenergie des Materials, W/mm (mm²)

A =Fläche des Laserstrahls im Brennpunkt, (mm²)

t1 =Materialstärke, mm

k =konstante Eigenschaften des Materials und Umwandlungseffizienz der Laserenergie in das Material, mm/min.

Die ungefähre Energie E, die benötigt wird, um ein Metallvolumen auf seinen Verdampfungspunkt zu bringen, ist gegeben durch:

Wo,

Pg =Materialdichte, kg/m 3

Vg =zu verdampfendes Volumen, m 3

Cp =Spezifische Wärme, cal/kg·K

θm =Schmelzpunkt, K

θb =Siedepunkt, K

θ0 =Umgebungstemperatur, K

Lm =Latente Schmelzwärme, cal/kg

Lv =Latente Verdampfungswärme, cal/kg

np =Effizienz des Prozesses

Genauigkeit

Wie hoch ist die Genauigkeit dieses Bearbeitungsprozesses?

• Der Laser eignet sich am besten sowohl zum Schneiden als auch zum Bohren.
• Um beim Bohren bestmögliche Ergebnisse zu erzielen, ist es zwingend erforderlich, dass sich das Material innerhalb einer Toleranz von +0,2 mm um einen Brennpunkt befindet.
• Die Genauigkeit beim Profilschneiden mit numerischer Steuerung oder Lichttaster beträgt ca. +0,1 mm.

Anwendung der Laserstrahlbearbeitung

• Der Laserbearbeitungsprozess eignet sich derzeit nur in Ausnahmefällen wie der Bearbeitung sehr kleiner Löcher und dem Schneiden komplexer Profile in dünnen, harten Materialien wie Keramik.
• Es wird auch beim teilweisen Schneiden oder Gravieren verwendet.
• Weitere Anwendungen sind das Trimmen von Stahlmetallen, Stanzen und Trimmen von Widerständen.
• Obwohl LBM kein Massen-Materialentfernungsprozess ist, ist es möglich, diesen Prozess in der Massen-Mikrobearbeitungsproduktion zu verwenden.

Vorteile der Laserstrahlbearbeitung

Zu den Hauptvorteilen der Laserstrahlbearbeitung gehören die folgenden:

1. Es besteht ein direkter Kontakt zwischen Werkzeug und Werkstück.
2. Bearbeitung aller Materialien einschließlich Nichtmetall ist möglich.
3. Bohren und Schneiden an schwer zugänglichen Stellen möglich.
4. Die Wärmeeinflusszone ist aufgrund des kollimierten Strahls klein.
5. Extrem kleine Löcher können bearbeitet werden.
6. Es gibt keinen Werkzeugverschleiß.
7. Weiche Materialien wie Gummi und Kunststoffe können bearbeitet werden.

Nachteile der Laserstrahlbearbeitung

Eine der Hauptbeschränkungen des Lasers besteht darin, dass er nicht zum Schneiden von Metallen mit hoher Wärmeleitfähigkeit oder hohem Reflexionsvermögen verwendet werden kann, z. B. Al, Cu und deren Legierungen. Außerdem hat das Verfahren folgende Nachteile :

1. Der Gesamtwirkungsgrad ist extrem gering (10 bis 15 %).
2. Der Prozess ist auf dünne Bleche beschränkt.
3. Es hat eine sehr geringe Materialabtragungsrate.
4. Die bearbeiteten Löcher sind nicht rund und gerade.
5. Das Lasersystem ist ziemlich ineffizient, da die Lebensdauer der Wimpernlampe kurz ist.
6. Die Kosten sind hoch.

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Schlussfolgerung:

Laserstrahlbearbeitung ist eine der besten konventionellen Anpassungen, jedes feste Material, das ohne Zersetzung geschmolzen werden kann, kann mit dem Laserstrahl geschnitten werden. Das war's also, wir haben alles zu diesem Thema besprochen, aber wenn Sie Zweifel oder Fragen haben, können Sie diese in den Kommentaren stellen.

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