دستگاه های برش لیزری

معرفی انواع دستگاه برش لیزری

در دستگاه های برش لیزری، از انواع مختلفی از لیزرها استفاده می‎شود و به همین دلیل ما این دستگاه‌ها را با نام این لیزرها می‌شناسیم.

لیزرهایی که در دستگاه‌های برش لیزری و تجهیزات لیزری استفاده می‌شوند، توان‌های مختلفی از چند کیلووات تا چند مگاوات دارند که هر کدام برای برش و حکاکی انواع مواد مناسب‌اند.

طول موج‌های مختلف لیزرها آن‌ها را برای برش و حکاکی انواع خاصی از مواد مناسب می‌سازد.

همچنین عوامل عملیاتی متعددی وجود دارند که باعث می‌شود برخی از انواع لیزرها بیشتر برای بازارهای خاص و نیازهای محدود مناسب باشند.

البته هیچ یک از این لیزرها نمی‌تواند یک راه‌حل جهانی برای همه کاربردها باشد.

در شکل زیر، فرآیند برش لیزری نمایش داده شده است:

در ادامه به معرفی 4 نوع از دستگاه های برش لیزری می‌پردازیم که باید درباره‌ی آن‌ها بدانید:

1- دستگاه ‌های برش لیزری فایبر

منبع اصلی انرژی در دستگاه‌ های برش لیزری فایبر، لیزرهای فایبر یا فیبری هستند که مزایای زیادی نسبت به انواع دیگر لیزرها دارند و آن‌ها را به انتخابی مناسب در کاربردهای صنعتی تبدیل می‌کنند.

لیزرهای فیبری یا فایبر عمدتاً برای برش و حکاکی قطعات فلزی استفاده می‌شوند.

این لیزرها، نام خود را از فیبر نوری دوپ شده شیمیایی گرفته‌اند که برای القای لیزر و رساندن انرژی به نقطه برش استفاده می‌شود.

منبع لیزر با یک لیزر پرایمر، معمولاً از نوع دیودی، شروع می‌شود که پرتوی کم‌مصرف را به فیبر تزریق می‌کند.

سپس این پرتو در داخل فیبر نوری تقویت می‌شود که با عناصر خاکی کمیاب مانند ایتربیوم (Yb) یا اربیوم (Er) دوپ شده است.

فرآیند دوپینگ، فیبر را وادار می‌کند تا به عنوان یک محیط افزایش عمل کند و پرتو لیزر را با تحریکات/گسیل‌های آبشاری تقویت کند.

سایر ویژگی‌ها و مزایای لیزرهای فایبر به شرح زیر است:

• لیزرهای فایبر، طول موجی در طیف مادون قرمزِ نزدیک، حدود 1.06 میکرومتر منتشر می‌کنند. این طول موج کاملاً توسط فلزات جذب می‌شود و لیزرهای فایبر را برای برش و حکاکی این دسته از مواد، حتی فلزات انعکاسی مناسب می‌سازد.
• یکی از مزایای اصلی لیزرهای فیبری، کیفیت عالی پرتو آن‌هاست. این کیفیت بالا باعث می‌شود که لیزر قادر باشد تابشی بسیار متمرکز تولید کند.
  این تابش متمرکز موجب می‌شود که مسیر برش کوچک‌تر و دقیق‌تری ایجاد شود و انرژی بیشتری در هر واحد سطح اعمال گردد. همچنین این ویژگی، باعث کاهش پراکندگی پرتوها می‌شود و امکان انجام برش‌های دقیق‌تر با شیار و خوراک برش کمتر را فراهم می‌کند.
• لیزرهای فایبر به‌خاطر سرعت بالای برش و بهره‌وری بالا شناخته شده‌اند. این ویژگی‌ها باعث می‌شود که مصرف انرژی آن‌ها نسبت به سایر انواع لیزرها کمتر باشد.
  لیزرهای فایبر به‌طور ویژه برای برش فلزاتی مانند فولاد ضد زنگ، فولاد کربنی، آلومینیوم، مس، برنج و آلیاژهای مختلف طراحی شده‌اند. این لیزرها برای برش مواد غیر فلزی مانند چوب، آکریلیک یا پلاستیک که به‌طور مؤثرتری با لیزر CO2 برش داده می‌شوند، مناسب نیستند.
  همچنین لیزرهای فایبر با توان‌های بالاتر می‌توانند فلزات ضخیم‌تر را نیز به‌طور مؤثر پردازش کنند.
• لیزرهای فایبر دارای طراحی ساده، مستحکم و تقریباً جامد هستند که باعث کاهش نیاز به تعمیر و نگهداری نسبت به سایر انواع لیزر می‌شود. فقدان آینه‌ها و اجزای حساس کانونی، مشکلات تراز را به حداقل می‌رساند و کیفیت پرتو را بهبود می‌بخشد.
  این ویژگی‌ها همچنین باعث افزایش طول عمر دستگاه های برش لیزری فایبر می‌شوند. برخی مدل‌ها قادرند پیش از نیاز به تعمیرات عمده، ده‌ها هزار ساعت، کارکرد بدون مشکل داشته باشند.
• لیزرهای فایبر در بسیاری از کاربردهای برش، حکاکی و فرسایش فلزات به عنوان گزینه‌ای بهینه شناخته می‌شوند.
  ویژگی‌هایی مانند توان عملیاتی بالا، دقت استثنایی، بهره‌وری عالی و نیاز کم به نگهداری، این لیزرها را برای صنایع مختلف بسیار جذاب کرده است. این قابلیت‌ها آن‌ها را به ابزاری ایده‌آل در صنایعی مانند خودروسازی، هوافضا، الکترونیک و ساخت تبدیل کرده‌اند.
  در این صنایع، پردازش دقیق و کارآمد فلزات اهمیت زیادی دارد.

2. دستگاه های برش لیزری CO2

لیزرهای CO2 که از اولین دستگاه‌های برش لیزری تجاری هستند، هنوز هم به‌طور گسترده در صنایع مختلف استفاده می‌شوند.

این لیزرها به دلیل تطبیق‌پذیری بالایشان با انواع مواد شناخته می‌شوند. آن‌ها به‌ویژه برای برش و حکاکی مواد غیر فلزی با دقت و کارایی مطلوب مناسب هستند.

همچنین لیزرهای CO2 در بسیاری از کاربردهای برش فلزات هم عملکرد خوبی دارند.

اگرچه برای پردازش فلزات طیف جذب آن‌ها بهینه نیست، اما راهکارها و تکنیک‌های مختلفی وجود دارند که می‌توانند عملکرد این لیزرها را در برش فلزات بهبود بخشند.

سایر ویژگی‌های انواع دستگاه برش لیزری CO2 به شرح زیر هستند:

•  لیزرهای CO2 دستگاه‌هایی هستند که از گازها برای تولید پرتو لیزر استفاده می‌کنند.
  این دستگاه‌ها از مخلوطی از دی‌اکسید کربن (CO2)، نیتروژن (N2) و هلیوم (He) بهره می‌برند.
  منبع لیزر معمولاً یک لوله فلاش زنون یا مشابه آن است که با یک تخلیه الکتریکی تحریک می‌شود تا فرآیند تولید یا انتشار لیزر آغاز شود. این فرآیند شامل سه مرحله انتقال انرژی است که فقط در مرحله آخر، فوتون‌ها منتشر می‌شوند.
  ابتدا مولکول‌های نیتروژن (N2) انرژی جذب می‌کنند و به حالت انرژی بالاتری می‌روند. سپس این انرژی به مولکول‌های دی‌اکسید کربن (CO2) منتقل می‌شود. در نهایت، فوتون‌ها از مولکول‌های CO2 منتشر می‌شوند، در حالی که این انتشار انرژی با برخورد اتم‌های هلیوم (He) اتفاق می‌افتد.
• لیزر CO2، طول موجی در حدود 10.6 میکرومتر تولید می‌کند که در طیف مادون قرمز قرار دارد.
  این طول موج به طور مؤثری توسط مواد آلی مانند چوب، پلاستیک، چرم، پارچه‌های مختلف، کاغذ و برخی کامپوزیت‌های غیرفلزی جذب می‌شود.
  این ویژگی باعث می‌شود که لیزر برش‌هایی دقیق، تمیز و بسیار کارآمد روی این مواد ایجاد کند.
• لیزرهای CO2 در مقایسه با لیزرهای فایبر کیفیت پرتو کمتری دارند، به این معنی که پرتو لیزر تمرکز کمتری دارد.
  این به دلیل پیچیدگی‌های نوری نسبی دستگاه‌ها و ذات سیستم انتشار گاز است.
  با این حال پیشرفت‌های فناوری در لیزرهای CO2 باعث بهبود کیفیت پرتو در طول زمان شده است.
  معمولاً پرتو این لیزرها نقطه بزرگ‌تری دارند و واگرایی بیشتری ایجاد می‌کنند که می‌تواند دقت برش‌ها را کاهش دهد. برای کسب اطلاعات بیشتر درباره‌ی تفاوت‌های دو لیزر CO2 و فایبر، کافی است به مطلب “مقایسه لیزر CO2 و فایبر” مراجعه کنید.
• لیزرهای CO2 به دلیل تطبیق‌پذیری بالا، هزینه خرید نسبتاً پایین و مصرف انرژی مؤثر در هر وات برش، به طور گسترده‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرند.
  اما در برش فلزات ضخیم، کندتر از لیزرهای فایبر عمل می‌کنند. برای مواد غیر فلزی، سرعت برش بالایی دارند و این ویژگی، آن‌ها را برای طراحی‌های پیچیده و کاربردهای متنوع مناسب می‌سازد.
  با این حال به دلیل استفاده از آینه و اجزای نوری در ساختار خود، لیزرهای CO2 نیاز به نگهداری بیشتری نسبت به لیزرهای فایبر دارند. همچنین منبع لیزر اولیه در طول زمان فرسوده می‌شود و سیستم نوری باید به طور منظم تمیز شود و به تنظیمات مجدد دقیق‌تری برای حفظ عملکرد بهینه نیاز دارد.
  

  3. دستگاه های برش لیزری Nd:YAG/Nd:YVO

لیزرهای Nd:YAG (گارنت آلومینیوم ایتریوم دوپ شده با نئودیمیم) و Nd:YVO (ایتریم وانادات با نئودیمیم دوپ شده)، اساساً دستگاه های حالت جامد مشابهی هستند.

هر دو در طیف مادون قرمز نزدیک منتشر می‌شوند که توسط محیطی که انتشار تحریک شده در آن رخ می‌دهد، متمایز می‌شوند.

آن‌ها بیشتر برای برش و علامت‌گذاری فلزات و طیف محدودی از غیر فلزات کاربرد دارند.

در ادامه به معرفی ویژگی‌های انواع دستگاه برش لیزری Nd:YAG/Nd:YVO می‌پردازیم:

• لیزرهای Nd:YAG و Nd:YVO، نوعی لیزرهای حالت جامد هستند که با یون‌های نئودیمیم دوپ شده‌اند.
  در لیزرهای Nd:YAG، محیط لیزر کریستال‌های گارنت آلومینیوم ایتریوم است که با یون‌های نئودیمیم ترکیب شده‌اند. در لیزرهای Nd:YVO، محیط لیزر کریستال‌های ایتریم وانادات است که به همین صورت با یون‌های نئودیمیم دوپ شده‌اند.
  هنگامی که این لیزرها به‌صورت نوری پمپ می‌شوند (با استفاده از لیزر یا منبع تخلیه)، یون‌های نئودیمیم تحریک می‌شوند و انرژی خود را از دست می‌دهند که منجر به انتشار نور لیزر می‌شود.

• لیزرهای Nd:YAG در طول موج 1.064 میکرومتر ساطع می‌شوند، در حالی که لیزرهای Nd:YVO می‌توانند در 1.064 میکرومتر یا 1.34 میکرومتر کار کنند که این تفاوت به جهت کریستالی بستگی دارد.
  این طول موج‌ها در محدوده مادون قرمزِ نزدیک قرار دارند و به خوبی توسط فلزات جذب می‌شوند، بنابراین برای برش فلز، حکاکی و علامت‌گذاری مناسب هستند.
  لیزرهای نئودیمیم معمولاً کیفیت پرتو بالایی دارند، واگرایی کمی از پرتو ایجاد می‌کنند و اندازه نقطه کوچکی دارند که باعث می‌شود انرژی ویژه بالایی تولید کنند.
• لیزرهای Nd:YAG و Nd:YVO برای برش و پردازش فلزات، به خصوص ورق‌های نازک و مواد دقیق، بسیار مناسب هستند. این لیزرها به خوبی برای برش فلزاتی مانند فولاد ضد زنگ، فولاد کربنی، آلومینیوم، برنج و مس استفاده می‌شوند؛ از جمله مواد «بازتابنده‌تر»! همچنین می‌توانند سرامیک، پلاستیک و برخی کامپوزیت‌ها را برش دهند. با این حال برای برش سایر مواد غیر فلزی مناسب نیستند. این لیزرها به دلیل دوام بالا و نیاز به نگهداری کم، مورد استقبال قرار گرفته‌اند و می‌توانند هزاران ساعت کار کنند قبل از اینکه نیاز به تعمیرات اساسی داشته باشند.

4. دستگاه های برش لیزری دایود مستقیم

لیزرهای دایود (یا دایود لیزر)، نوعی لیزر هستند که از اتصالات نیمه‌هادی منفرد برای تولید نور استفاده می‌کنند.

این فناوری در حال حاضر در صنایع مختلف مانند برش، جوشکاری و عملیات سطحی کاربرد بیشتری پیدا کرده است.

لیزر دایود مستقیم مبتنی بر اتصالات نیمه‌هادی است و معمولاً از آرسنید گالیم (GaAs) ساخته می‌شود.

وقتی یک جریان رو به جلو به دایود وارد می‌شود، بدون نیاز به منبع نور دیگر برای شروع، نور را ساطع می‌کند.

سپس نور تولید شده توسط اجزای نوری هدایت و به یک پرتو لیزر متمرکز تبدیل می‌شود.

در انتهای این سیستم، یک حفره تشدیدی با نیم‌آینه قرار دارد که انرژی لیزر از آن طریق ساطع می‌شود.

ویژگی‌های انواع دستگاه برش لیزری دایود مستقیم به شرح زیر هستند:

• لیزرهای دایود در طیف وسیعی از طول موج‌ها موجود هستند که به انتخاب مواد نیمه‌هادی، ناخالصی‌ها و طراحی حفره رزونانس بستگی دارند.
  رایج‌ترین طول موج لیزرهای دایود مستقیم که در کاربردهای برش استفاده می‌شود، در محدوده مادون قرمز نزدیک، حدود 900 تا 1100 نانومتر (0.9 تا 1.1 میکرومتر) است.
  سیستم‌های دایود جایگزین می‌توانند در طول موج‌های آبی و سبز نیز عمل کنند. کیفیت پرتو لیزرهای دایود مستقیم ممکن است به طور قابل توجهی متفاوت باشد، ولی به طور کلی با هر نسل جدید دستگاه، کیفیت پرتو بهبود می‌یابد.
  با این حال کیفیت پرتو این لیزرها معمولاً با لیزرهای فایبر یا CO2 قابل مقایسه نیست.
•  لیزرهای دایود با تبدیل کم‌تلفات انرژی الکتریکی به نور لیزر، بازده انرژی بالایی دارند و تا حدی هزینه‌های عملیاتی را کاهش می‌دهند.
  بااین‌حال هنگام برش مواد ضخیم، سرعت آن‌ها معمولاً کمتر از لیزرهای فایبر یا CO2 است.
  این لیزرها برای برش انواع مواد ازجمله فلزات، پلاستیک‌ها، کامپوزیت‌ها و برخی مواد غیرفلزی مناسب هستند.
  همچنین برای برش ورق‌های فلزی نازک با سرعت بالا عملکرد مؤثری دارند که آن‌ها را به گزینه‌ای ایده‌آل برای صنایعی مانند خودروسازی، الکترونیک و تولید ورق‌های فلزی تبدیل می‌کند.
  دستگاه های برش لیزری دایودی از نظر ساخت، ساده‌تر و مقاوم‌تر از سایر لیزرها هستند. در نتیجه طول عمر بیشتری دارند و نیاز کمتری به تعمیر و نگهداری پیدا می‌کنند.

جمع‌بندی: بهترین نوع دستگاه های برش لیزری کدام است؟

در میان انواع دستگاه‌های برش لیزری، دستگاه‌های فایبر بهترین انتخاب برای برش فلزات هستند.

این دستگاه‌ها با سرعت و دقت بالا، برش‌های بسیار تمیز و دقیق را انجام می‌دهند و درعین‌حال هزینه نگهداری کمی دارند.

البته سایر دستگاه‌های لیزری هم کاربردهای خاص خود را دارند:

• دستگاه‌های برش لیزری CO2 برای برش مواد غیر فلزی مانند چوب، پارچه و پلاستیک ایده‌آل هستند.
•  دستگاه‌های برش لیزری Nd:YAG/Nd:YVO بیشتر برای حکاکی و برش‌های ظریف فلزات به کار می‌روند، اما سرعت و بهره‌وری کمتری نسبت به فایبر دارند.
• دستگاه‌های لیزری دایود با بازده انرژی بالا و هزینه‌های عملیاتی کمتر، گزینه‌ای مناسب برای برش ورق‌های فلزی نازک، پلاستیک و کامپوزیت‌ها هستند، اما در مقایسه با لیزرهای فایبر و CO2، کیفیت پرتو و سرعت برش پایین‌تری دارند.

اگر به دنبال انتخاب بهترین برند دستگاه های برش لیزری هستید، پیشنهاد می‌کنیم مطلب “بهترین دستگاه برش لیزر” را مطالعه کنید.