Lasermikrotyöstöä käytetään yhä enemmän mikroskooppisten reikien, kapeiden urien, hienojen urien ja monimutkaisten tarkkuusominaisuuksien valmistukseen edistyneissä teknisissä materiaaleissa. Ilmailu- ja avaruusmoottoreiden, puolijohdelaitteiden, teknisten keramiikkojen ja tehokkaiden komponenttien siirtyessä kohti pienempiä ominaisuuksia ja tiukempia mittavaatimuksia perinteisessä mekaanisessa työstössä ja vapaassa tilassa tapahtuvassa lasertyöstössä voi olla rajoituksia, jotka liittyvät työkalun kulumiseen, lämmön kertymiseen, polttovälin hallintaan ja pinnan eheyteen.

Vesisuihkuohjattu lasertekniikka yhdistää pulssitetun laserenergian hienoon ja vakaaseen vesisuihkuun. Lasersäde kytketään vesisuihkuun ja ohjataan työkappaletta kohti täydellisen sisäisen heijastuksen avulla veden ja ilman rajapinnassa. Virtaava vesi samanaikaisesti auttaa jäähdytyksessä ja poistaa osan sulasta tai ablatoidusta materiaalista työstöalueelta.

Tämä yhdistelmä luo ainutlaatuisen lasermikrotyöstöprosessin tarkkaan leikkaukseen, lasermikroporaukseen ja hallittuun materiaalinpoistoon.

Materiaalista, ominaisuusgeometriasta ja prosessikonfiguraatiosta riippuen vesisuihkulla ohjattua lasertyöstöä voidaan soveltaa nikkelipohjaisiin superseoksiin, titaaniseoksiin, keraamiin, piikarbidiin, puolijohdemateriaaleihin, hiilikuitulujitettuihin komposiitteihin ja timantteihin liittyviin materiaaleihin.

Mikä on lasermikrotyöstö?

Lasermikrotyöstöllä tarkoitetaan kontrolloidun laserenergian käyttöä pienten, erittäin tarkkojen ominaisuuksien tuottamiseen poistamalla materiaalia mikroskooppisella tai lähes mikroskooppisella tasolla.

Tyypillisiä prosesseja ovat:

• lasermikroporaus;
• tarkkuuslaserporaus;
• laserilla tehtävä mikroreiän poraus;
• mikroleikkaus;
• hieno ura ja uritus;
• tarkka ääriviivan työstö;
• paikallinen materiaalinpoisto;
• monimutkaisten mikro-ominaisuuksien koneistus.

Toisin kuin perinteisessä jyrsinnässä tai porauksessa, lasertyöstössä ei vaadita leikkaustyökalun fyysistä kosketusta työkappaleeseen. Tämä eliminoi työkalun mekaanisen kulumisen ja vähentää herkkiin komponentteihin kohdistuvia leikkausvoimia.

Perinteinen lasermikrotyöstö tuo kuitenkin mukanaan myös teknisiä haasteita.

Vapaassa tilassa olevan lasersäteen on yleensä oltava tarkasti kohdistettu työstöpintaan. Hyödylliseen työstöalueeseen vaikuttavat polttoväli, pinnan geometria, säteen tulokulma ja optisen järjestelmän ja työkappaleen välinen suhteellinen sijainti.

Syväleikkauksen tai -porauksen aikana toistuva laserin ja materiaalin vuorovaikutus voi myös aiheuttaa lämmön kertymistä, lämpövaikutusvyöhykkeen, uudelleenvaletun materiaalin, hapettumista, kartiomaisuutta tai roskien kertymistä. Näiden vaikutusten vakavuus riippuu voimakkaasti laserpulssin kestosta, aallonpituudesta, tehotiheydestä, apukaasusta, materiaalista ja prosessistrategiasta.

Tästä syystä on kehitetty erilaisia ​​lasermikrokoneistusjärjestelmiä erilaisiin teollisuuden tarpeisiin. Vesisuihkulla ohjattu laserkoneistus on yksi erikoistekniikoista, joita käytetään siellä, missä tarkkuus, jäähdytys ja hallittu energiansyöttö ovat erityisen tärkeitä.

Mikä on vesisuihkulla ohjattu lasertekniikka?

Vesisuihkulla ohjattu laser on lasertyöstötekniikka, jossa lasersäde kytketään koaksiaalisesti ohueen, nopeaan vesisuihkuun.

Vesisuihku toimii joustavana optisena ohjaimena.

Perinteisessä lasertyöstössä fokusoitu lasersäde etenee ilman läpi fokusointioptiikasta työkappaleeseen. Vesisuihkuohjatussa lasertyöstössä laser johdetaan hienojakoiseen vesisuihkuun optisen kytkentärakenteen ja suuttimen kautta.

Veden ja ympäröivän ilman taitekerroineron vuoksi oikein kytketty lasersäde voidaan rajoittaa vesipatsaaseen täydellisen sisäisen heijastuksen avulla.

Periaate on yksinkertaistetussa optisessa mielessä verrattavissa valonohjaukseen optisessa kuidussa.

Tuloksena oleva vesiohjattu lasersäde kulkee suihkun mukana kohti työkappaletta.

Käsittelyalueella laser tuottaa materiaalinpoistoon tarvittavan energian, kun taas jatkuvasti virtaava vesi voi:

• jäähdytä paikallinen jalostusalue;
• rajoittaa liiallista lämmön kertymistä;
• poista osa työstöjätteistä;
• huuhtele sula tai ablatoitu materiaali pois leikkuuurasta;
• vähentää pintakontaminaatiota;
• tukevat vakaampaa prosessointia hyödyllisellä työskentelyetäisyydellä.

Teknologiaa haetaan joskus laajemmin vesisuihkulaserina . Sitä ei kuitenkaan pidä sekoittaa perinteiseen abrasiiviseen vesisuihkuleikkaukseen.

Vesisuihkulla ohjattu lasertyöstö on pohjimmiltaan laseriin perustuva materiaalinpoistoprosessi.

Miten vesisuihkulla ohjattu laserteknologia toimii?

Vesisuihkulla ohjattu laserprosessi voidaan ymmärtää viiden päävaiheen kautta.

1. Lasersäteen generointi ja fokusointi

Pulssitettu laserlähde tuottaa käsittelysäteen.

Tarkat laserparametrit riippuvat materiaalista ja sovelluksesta. Toimitettujen prosessitietojen kattamissa teknisissä kokoonpanoissa edustavat järjestelmävalikoimat sisältävät:

• laserteho: noin 20–400 W;
• aallonpituus: 532 nm;
• pulssin kesto: noin 1–500 ns.

Nämä arvot edustavat teknistä kokoonpanoaluetta eivätkä yleisiä vaatimuksia jokaiselle vesisuihkuohjatulle laserjärjestelmälle.

Lasersäde suunnataan fokusoivan optiikan kautta optista kytkentäaluetta kohti.

Lasersäteen tulokulman, säteen sijainnin ja optisen ikkunan tarkka hallinta on välttämätöntä, koska tehokas laserin ja veden välinen kytkentä vaikuttaa suoraan säteen rajoittumiseen ja prosessin vakauteen.

2. Laserkytkentä vesisuihkuun

Tarkennettu säde saapuu paineistettuun vesikammioon ja on kohdistettu tarkkuussuuttimeen.

Optisen ikkunan, kytkentägeometrian ja suuttimen on toimittava yhdessä, jotta laserin ja vesisuihkun välinen koaksiaalinen kohdistus saavutetaan.

Toimitetuissa teknisissä tiedoissa esitetyt edustavat suuttimen halkaisijat ovat suunnilleen seuraavat:

20 - 100 μm

Vedenpaine voidaan konfiguroida laajalla alueella. Vertailuprosessitiedot osoittavat:

50 - 800 palkki

Todellinen paine ja suuttimen halkaisija on valittava suihkun vakauden, prosessietäisyyden, laserparametrien ja vaaditun ominaisuuskoon mukaan.

Kytkimen huono kohdistus voi johtaa optisen energian menetykseen, epävakaaseen säteen ohjaukseen tai kytkentäkomponenttien paikallisiin vaurioihin.

Tästä syystä tehokas laser-vesikytkentä on yksi vesisuihkuohjatun laserjärjestelmän keskeisistä teknisistä haasteista.

3. Laserohjaus täydellisen sisäisen heijastuksen avulla

Vesisuihkuun osuttuaan lasersäde heijastuu toistuvasti veden ja ilman rajapinnasta.

Tämä täydellinen sisäinen heijastus rajoittaa laserenergian hienon vesipatsaan sisälle.

Sen sijaan, että muodostettaisiin perinteinen vapaaseen tilaan fokusoitu kartio, joka nopeasti erkanee pois polttotasosta, laserenergia seuraa vesisuihkua määritellyn käsittelymatkan.

Edustavat tekniset tiedot osoittavat noin seuraavat työskentelyetäisyydet:

5–50 mm

Tehokas työskentelyetäisyys riippuu sovelluksesta ja järjestelmästä, ja siihen vaikuttavat vesisuihkun vakaus, suuttimen geometria, paine, laserin kytkentä ja ympäristöolosuhteet.

Tämä ohjattu toimitusmekanismi on yksi vesisuihkulla ohjatun lasertekniikan ja perinteisen fokusoidun lasertyöstön perustavanlaatuisista eroista.

4. Laser-materiaalin vuorovaikutus

Kun ohjattu laser saavuttaa työkappaleen, materiaali absorboi lasersäteen energian.

Materiaalin ominaisuuksista ja laserparametreista riippuen materiaalin poisto voi sisältää paikallista sulamista, höyrystämistä, ablaatiota ja toistuvia pulssienergiavuorovaikutuksia.

Laser on edelleen ensisijainen prosessointienergian lähde.

Vesisuihku ei ole hankaava leikkausväliaine.

Tämä ero on tärkeä, koska teknologiaa ei pidä tulkita pieneksi perinteiseksi vesileikkauskoneeksi.

Raportoiduissa ja sovelluskohtaisissa kokoonpanoissa prosessia voidaan käyttää materiaalipaksuuksille ohuista tarkkuusrakenteista huomattavasti paksumpiin komponentteihin. Toimitettu tekninen viite osoittaa laajan prosessointipaksuusalueen, joka on noin:

0.01 30 on mm

Todellinen saavutettavissa oleva syvyys tai paksuus riippuu vahvasti materiaalista, ominaisuusgeometriasta, laserin tehosta, pulssin ominaisuuksista ja prosessistrategiasta.

5. Jäähdytys ja roskien poisto

Vesisuihku on jatkuvassa vuorovaikutuksessa työstöalueen kanssa.

Tämä tarjoaa kaksi tärkeää toimintoa.

Ensinnäkin vesi poistaa lämpöä ympäröivästä materiaalista ja voi vähentää liiallista lämmön kertymistä.

Toiseksi virtaava suihku auttaa huuhtelemaan työstetyt tuotteet pois vuorovaikutusalueelta.

Tämä voi vähentää uudelleenvalukappaleen kertymistä, hiiltyneiden jäännösten ja roskien laskeutumista sopivissa käsittelyolosuhteissa.

Tästä syystä vesisuihkulla ohjattua lasertyöstöä pidetään usein matalan lämpökuorman laserprosessina verrattuna moniin perinteisiin lasertyöstökokoonpanoihin.

Teknisesti tarkka kuvaus on kuitenkin vähentynyt lämpövaikutus , ei ehdoton "nolla lämpövaikutusalue".

Lopullinen lämpövaikutus riippuu:

• materiaalin ominaisuudet;
• laserpulssin kesto;
• pulssin taajuus;
• tehotiheys;
• käsittelynopeus;
• vesisuihkun paine;
• suihkun halkaisija;
• ominaisuuksien geometria;
• käsittelykierrosten määrä.

Onko vesisuihkulaser sama asia kuin vesileikkaus?

Ei.

Vesisuihkulla ohjattu laser ja perinteinen vesisuihkuleikkausjärjestelmä käyttävät perustavanlaatuisesti erilaisia ​​materiaalinpoistomekanismeja.

Termiä vesisuihkulaser käytetään joskus epävirallisesti etsinnöissä ja teknisissä keskusteluissa. Tarkempi tekninen kuvaus on:

Vesisuihkulla ohjattu laser

tai:

Vesiohjattu lasertyöstö

Teollisuuslaitteissa Greenstone käyttää laajempaa termiä vesisuihkulla ohjattu lasertyöstöjärjestelmä, koska teknologia pystyy muuhunkin kuin pelkkään leikkaamiseen.

Sovelluksia voivat olla poraus, mikroreikien koneistus, urien jyrsintä ja muut tarkat materiaalinpoistoprosessit.

Vesisuihkulla ohjattu laser vs. perinteinen lasermikrokoneistus

Perinteinen lasermikrotyöstö ja vesisuihkuohjattu lasertyöstö käyttävät molemmat laserenergiaa materiaalin poistamiseen, mutta niiden säteen toimitus- ja lämmönhallintamekanismit ovat erilaiset.

Yksi tärkeä rajoitus tavanomaisessa fokusoidussa laserkäsittelyssä on säteen koon vaihtelu polttotasosta poispäin.

Syvemmällä leikkauksella palkin ja materiaalin vuorovaikutus voi muuttua, kun työstörintama liikkuu pois optimaalisesta tarkennusasennosta.

Tämä voi vaikuttaa uran kartiomaisuuteen ja epätasaiseen seinämän geometriaan.

Vakaa vedellä ohjattu säde voi ylläpitää energian kulkeutumista vesisuihkua pitkin hyödyllisen prosessointimatkan. Sopivissa sovelluksissa tämä tukee kapeita leikkauksia ja suorempia sivuseiniä.

Toimitetut sovellustiedot osoittavat edustavia vesiohjatun laserin sahausleveyksiä, jotka ovat noin:

60-90 μm

Vertailun vuoksi sama vertailumateriaali raportoi timanttilangan leikkausleveydeksi noin:

80-120 μm

Näitä lukuja tulisi tulkita sovelluskohtaisiksi vertailutiedoksi eikä yleismaailmallisiksi arvoiksi kaikille koneille ja materiaaleille.

Pinnan laatu on toinen tärkeä huomioitava seikka.

Mekaaninen timanttilangan leikkaus voi jättää työkalu- tai hiomajälkiä, kun taas jotkut perinteiset lämpölaserprosessit voivat tuottaa uudelleenvalua, hapettumista tai hiiltymistä.

Oikein optimoidussa vesisuihkulla ohjatussa laserprosessissa jatkuva vesihuuhtelu voi parantaa roskien poistumista ja vähentää lämpösäteilyn aiheuttamia jäännöksiä.

Valituissa tarkkuussovelluksissa ilmoitettu pinnan karheus voi olla alla:

Ra 1.0 μm

Todellinen pinnan karheus riippuu edelleen materiaalista, prosessiparametreista ja vaaditusta geometriasta.

Lasermikrokoneistusjärjestelmät ja -laitteet

Ei ole olemassa yhtä lasermikrotyöstöjärjestelmää, joka sopisi jokaiselle materiaalille ja mikro-ominaisuudelle.

Teollisuuden lasermikrokoneistustekniikoihin kuuluvat:

• nanosekunnin laserjärjestelmät;
• pikosekuntilaserjärjestelmät;
• femtosekuntilaserjärjestelmät;
• ultraviolettilaserjärjestelmät;
• vesisuihkulla ohjatut laserjärjestelmät.

Nanosekunnin lasermikrokoneistus

Nanosekuntilasereita käytetään laajalti teollisessa leikkauksessa, porauksessa, merkkauksessa ja materiaalinpoistossa.

Ne voivat tarjota suhteellisen korkean prosessointitehokkuuden, mutta pidempi pulssin kesto verrattuna ultralyhytpulssilasereihin voi johtaa suurempaan lämpövuorovaikutukseen materiaalin kanssa.

Pikosekunti- ja femtosekuntilaserilla tehtävä mikrotyöstö

Erittäin lyhytpulssilaserit lyhentävät aikaa, jonka kuluessa lämpö leviää ympäröivään materiaaliin.

Niitä käytetään laajalti tarkkuuskäsittelyssä, jossa vaaditaan hyvin pieniä ominaisuuksia ja vähäisiä lämpövaurioita.

Järjestelmän kustannukset, käsittelynopeus ja syvyyskyky on kuitenkin otettava huomioon teollisessa tuotannossa.

Vesisuihkuohjatut laserjärjestelmät

Vesisuihkulla ohjattu laserjärjestelmä tuo mukanaan erilaisen prosessiarkkitehtuurin.

Sen sijaan, että järjestelmä luottaisi pelkästään pulssin kestoon lämpövaikutusten hallitsemiseksi, se yhdistää pulssitetun laserkäsittelyn jatkuvaan veden ohjaukseen ja jäähdytykseen.

Täydellinen vesiohjattuihin lasertekniikoihin perustuva lasermikrokoneistusjärjestelmä sisältää yleensä:

• pulssitettu laserlähde;
• säteen toimitusoptiikka;
• laser-vesikytkentämoduuli;
• optinen ikkuna;
• tarkkuussuutin;
• korkeapaineinen vesijärjestelmä;
• veden suodatus- ja käsittelyjärjestelmä;
• paineensäätöjärjestelmä;
• tarkkuusliikealusta;
• prosessinohjausohjelmisto;
• turvakotelo ja apujärjestelmät.

Laserlähteen, vesijärjestelmän ja liikejärjestelmän on toimittava integroituna prosessialustana.

Pelkkä laserin yhdistäminen korkeapainevesisuuttimeen ei luo vakaata vesisuihkulla ohjattua laserprosessia.

Keskeiset teknologiat vesisuihkuohjatussa laserjärjestelmässä

Tehokas laser-vesikytkentä

Optisen ikkunan ja kytkentärakenteen on oltava suunniteltu siten, että ne hallitsevat lasersäteen tulokulmaa, säteen suuntausta ja vesisuihkun halkaisijaa.

Tarkka koaksiaalinen kohdistus auttaa parantamaan optista rajausta ja vähentämään kulmapoikkeamasta tai säteen virheellisestä sijoittelusta johtuvaa energiavuotoa.

Vesisuihkun vakaus ja hallinta

Vakaa vesisuihkun muodostuminen on välttämätöntä laserin tasaisen ohjauksen kannalta.

Tarkka paineensäätöjärjestelmä auttaa ylläpitämään vesisuihkun parametreja.

Vedenlaadun hallintaan voi sisältyä:

• käänteisosmoosi;
• tyhjiökaasunpoisto;
• hieno suodatus;
• kontrolloidut nestereitit.

Virtauskanavan optimointia ja apukaasustrategioita voidaan myös käyttää tietyissä järjestelmäsuunnitteluissa suihkun vakauden parantamiseksi ja vakaan suihkun pituuden pidentämiseksi.

Laser-aallonpituuden ja tehon optimointi

Laser-aallonpituus tulee ottaa huomioon veden imeytymisen ja materiaalien vuorovaikutuksen suhteen.

Toimitetuissa teknisissä tiedoissa 532 nm:n vihreän laserin käyttö on yksi edustavista lähestymistavoista, koska se soveltuu vesiohjattuihin laserkytkentämenetelmiin tietyissä järjestelmäarkkitehtuureissa.

Lasertehotiheys, pulssin kesto ja pulssitaajuus on sitten säädettävä materiaalin ja työstötavoitteen mukaan.

Suurempi laserteho ei ole automaattisesti parempi.

Laserenergia ja vakaa vesisuihkun pituus on koordinoitava epälineaarisen häviön, lämpökuormituksen ja prosessin tehokkuuden hallitsemiseksi.

Koordinoitu prosessiparametrien hallinta

Prosessi-ikkuna määräytyy laserin ja veden parametrien vuorovaikutuksen perusteella.

Tärkeitä muuttujia ovat:

• laserin teho;
• pulssienergia;
• pulssin taajuus;
• pulssin kesto;
• käsittelynopeus;
• vedenpaine;
• veden virtaus;
• suuttimen halkaisija;
• etäisyys toisistaan;
• läpikulkujen määrä.

Teollista tuotantoa varten nämä parametrit tulisi kehittää täydelliseksi prosessireseptiksi kullekin materiaalille ja ominaisuusgeometrialle.

Lasermikroporaus ja tarkkuusmikroreikien työstö

Lasermikroporaus on yksi lasermikrokoneistuksen tärkeimmistä sovelluksista.

Teollisuuskomponentit vaativat yhä useammin pieniä reikiä, joissa on hallittu:

• halkaisija;
• syvyys;
• kartiomainen;
• suuntautuminen;
• välimatkat;
• pinnan eheys.

Mekaaninen poraaminen vaikeutuu reiän koon pienentyessä tai materiaalin kovuuden kasvaessa.

Työkalujen kuluminen, rikkoutuminen ja leikkausvoimat voivat myös olla merkittäviä ongelmia työstettäessä edistyneitä keraamisia materiaaleja, superseoksia tai ohuita tarkkuusrakenteita.

Lasermikroreiän poraus poistaa fyysisen leikkaustyökalun tarpeen.

Vesisuihkulla ohjattu laserteknologia lisää laserporausprosessiin jatkuvaa vesiavusteista jäähdytystä ja huuhtelua.

Tämä on erityisen tärkeää porattaessa mikroreikiä komponentteihin, joissa liiallinen uudelleenvalaminen tai lämmön kertyminen ei ole toivottavaa.

Tyypillisiä ominaisuusgeometrioita voivat olla:

• pyöreät reiät;
• neliönmuotoiset reiät;
• suorakulmaiset reiät;
• muotoillut reiät;
• kaltevat reiät;
• monimutkaisia ​​mikroaukkoja.

Toimitetut sovellusesimerkit havainnollistavat pyöreitä, neliömäisiä ja epäsäännöllisiä reikägeometrioita sekä mikroreikien poikkileikkauksia korkean lämpötilan seoksissa ja keraamisissa matriisikomposiittimateriaaleissa.

Tarkkuuslaserporaus korkean suorituskyvyn komponenteille

Tarkkuuslaserporaus ei rajoitu pelkästään pienen reiän luomiseen.

Poratun ominaisuuden laatu on arvioitava useiden parametrien avulla.

Reiän halkaisija ja mittatarkkuus

Prosessin on pidettävä vaadittu halkaisija suunnittelutoleranssin rajoissa.

Laserparametrit, vesisuihkun halkaisija ja liikkeenohjaus vaikuttavat kaikki lopulliseen rakenteen kokoon.

Reiän kartio

Kartiomainen reikä voi vaikuttaa kaasun virtaukseen, jäähdytystehoon tai komponentin toimintaan.

Vesiohjattu lasersyöttö voi tukea suhteellisen tasaista energiansiirtoa prosessointireitillä sopivissa sovelluksissa, mikä auttaa hallitsemaan liiallista kartiomaisuutta.

Uudelleenmuotoiltu kerros

Sula materiaali voi jähmettyä uudelleen laserporatun reiän seinämään.

Jatkuvasti virtaava vesisuihku auttaa poistamaan prosessijätteitä ja sulaa materiaalia vuorovaikutusalueelta.

Optimaalisissa olosuhteissa tämä voi vähentää uudelleenvalujen kertymistä.

Lämpötila-alue

Ympäröivän materiaalin lämpömuokkaus on erityisen tärkeää ilmailu- ja avaruusteollisuuden metalliseoksille, komposiiteille ja lämpöherkille komponenteille.

Vesijäähdytys voi rajoittaa liiallista lämpödiffuusiota, vaikka lopullinen lämpövaste on varmistettava kullekin materiaalille ja prosessille erikseen.

Pinnan eheys

Mikrohalkeamat, delaminaatio, hapettuminen ja muut pintaviat voivat heikentää komponenttien luotettavuutta.

Tästä syystä tarkkuuslaserporausprosessin kehittämisen tulisi sisältää mikroskooppinen ja tarvittaessa metallografinen tarkastus.

Vesisuihkulla ohjatun lasertyöstön materiaalit

Vesisuihkulla ohjatun lasertyöstön soveltuvuus riippuu laserin absorptiosta, lämpöominaisuuksista, mekaanisista ominaisuuksista sekä materiaalin ja vesiavusteisen työstöympäristön välisestä vuorovaikutuksesta.

Metallit ja korkean lämpötilan seokset

Sovellukset voivat sisältää:

• nikkelipohjaiset superseokset;
• titaaniseokset;
• ruostumattomat teräkset;
• valikoituja korkean suorituskyvyn metalleja.

Näitä materiaaleja käytetään laajalti ilmailu- ja tarkkuustekniikassa.

Vesisuihkulla ohjattu laserteknologia on erityisen merkityksellinen pienille rei'ille ja tarkkuusominaisuuksille komponenteissa, joissa tavanomainen työkalun kuluminen tai lämmön kertyminen aiheuttaa työstövaikeuksia.

Hiilikuituvahvisteiset komposiitit

Hiilikuituvahvisteisia polymeerikomponentteja käytetään yhä enemmän ilmailu- ja avaruusrakenteissa.

Perinteisellä koneistuksella voidaan luoda:

• kuidun ulosveto;
• delaminaatio;
• työkalujen kuluminen;
• reunan vaurioita.

Laserkäsittely tuo mukanaan erilaisia ​​haasteita, erityisesti hartsin lämpövauriot.

Vesiavusteinen laserkäsittely voi vähentää lämmön kertymistä ja auttaa roskien poistossa.

CFRP-prosessiparametrit on kuitenkin optimoitava kullekin kuidulle, matriisille ja laminaattirakenteelle.

Tekninen keramiikka

Teknisissä keraamissa yhdistyvät kovuus, kulutuskestävyys ja lämmönkestävyys, mutta niiden hauraus tekee perinteisestä työstöstä vaikeaa.

Asiaankuuluvia materiaaleja ovat:

• alumiinioksidi, Al₂O₃;
• alumiininitridi, AlN;
• zirkoniumoksidi, ZrO₂;
• piikarbidi, SiC;
• piinitridi, Si₃N₄;
• koneistettavaa keramiikkaa.

Vesisuihkulla ohjattua lasertyöstöä voidaan käyttää näiden materiaalien valikoituihin leikkaus-, poraus- ja tarkkuusominaisuuksiin.

Pienempi mekaaninen voima on tärkeä etu, koska prosessi ei ole riippuvainen fyysisestä leikkaussärmästä.

Puolijohde- ja elektroniikkamateriaalit

Mahdollisia sovelluksia ovat:

• pii;
• piikarbidi;
• valitut puolijohdekiekot;
• GaAs:ään liittyvät rakenteet;
• elektroniset alustat.

Prosessia voidaan käyttää valittuihin:

• kiekkojen leikkaus;
• tarkkuusuraus;
• mikroreikien koneistus;
• reunojen käsittely;
• paikallinen materiaalinpoisto.

Puolijohteiden käsittely vaatii sovelluskohtaista kontaminaation, lohkeamisen, lämpövaikutusten ja ominaisuuksien tarkkuuden hallintaa.

Timantti- ja superkovat materiaalit

Timantti, polykiteinen timantti ja vastaavat superkovat materiaalit asettavat vakavia haasteita työkalun kulumiselle mekaanisessa työstössä.

Vesisuihkulla ohjattua lasertyöstöä on tutkittu ja sovellettu timantteihin liittyvien materiaalien tarkkuustyöstöön.

Jatkuva vesijäähdytys voi vähentää liiallista lämpökuormitusta, kun taas laserenergia mahdollistaa kosketuksettoman materiaalinpoiston.

Sovellukset voivat sisältää:

• timanttien leikkaus;
• PCD-työstö;
• superkovien työkalujen käsittely;
• tarkan ääriviivan luominen.

Prosessin kehittämisen aikana on otettava huomioon materiaalin laatu, sideainefaasi ja vaadittu pinnan eheys.

Vesisuihkuohjatun lasertekniikan teolliset sovellukset

Ilmailu- ja avaruustekniikan sekä lentokonemoottoreiden komponentit

Ilmailu- ja avaruuskomponenttien geometrian, pinnan eheyden ja prosessointivirheiden tarkkaa hallintaa vaaditaan.

Monia lentokonemoottoreiden materiaaleja on myös vaikea työstää tavanomaisilla työkaluilla.

Vesisuihkulla ohjattua laserteknologiaa voidaan soveltaa tiettyihin käsittelytehtäviin, joihin kuuluvat:

• palotilan komponentit;
• turbiinin suojukset;
• turbiinin lavat ja siivet;
• jäähdytysreiät;
• nikkelipohjaiset superseokset;
• keraamiset matriisikomposiitit;
• CFRP-ilmailurakenteet.

Lasermikroporaus on erityisen merkityksellistä lentokoneiden moottoreiden jäähdytysrakenteissa.

Nykyaikaiset turbiinikomponentit saattavat vaatia suuren määrän pieniä jäähdytysreikiä, joiden halkaisija, suunta ja geometria ovat kontrolloituja.

Toimitetut tekniset esimerkit havainnollistavat pyöreitä, neliömäisiä ja epäsäännöllisiä mikroreikägeometrioita, mukaan lukien korkean lämpötilan seosten ja keraamisten matriisikomposiittirakenteiden ominaisuudet.

Näiden komponenttien osalta prosessiarvioinnissa tulisi ottaa huomioon:

• reiän kartio;
• uudelleenlaadinta;
• lämpömuokkaus;
• mikrokrakkaus;
• pinnoitteen kunto;
• ominaisuuksien toistettavuus.

Puolijohde- ja 3C-elektroniikka

Tietokoneiden, tietoliikenne- ja kulutuselektroniikan valmistuksessa komponenttien mitat pienenevät edelleen.

Vesisuihkulla ohjattua lasertyöstöä voidaan arvioida piin, piikarbidin ja tiettyjen hauraiden elektroniikkamateriaalien tarkkuustyöstössä.

Sovellusesimerkkejä ovat:

• kiekkojen käsittely;
• puolijohdealustojen leikkaus;
• kristallin leikkaus;
• tarkkuusuraus;
• mikroreikien koneistus;
• tyynyn reunan käsittely;
• edistynyt elektroninen materiaalinkäsittely.

Lasermikrotyöstön kosketukseton luonne eliminoi työkalun mekaanisen kulumisen ja voi vähentää leikkausvoimaa haurailla alustoilla.

Kehittynyt keramiikka

Teknistä keramiikkaa käytetään:

• elektroniikka;
• ilmailu- ja avaruusteollisuus;
• autoteollisuuden järjestelmät;
• lääketieteellinen teknologia;
• tarkkuusteollisuuden komponentit.

Niiden korkea kovuus ja hauraus tekevät mekaanisesta poraamisesta ja leikkaamisesta vaikeaa.

Vesisuihkulla ohjattuja laserjärjestelmiä voidaan soveltaa tiettyihin keraamisten mikrotyöstöprosesseihin, joissa vaaditaan kapeita ominaisuuksia ja pieni mekaaninen kuormitus.

Tarkkuustekniikka ja kuluttajakomponentit

Muita mahdollisia sovellusalueita ovat:

• tarkkuusvaihteet;
• kellon osat;
• mikromekaaniset osat;
• metallikalvot;
• tarkkuusneulat;
• kovista materiaaleista valmistetut työkalut;
• mikrosuodattimet.

Prosessi on erityisen merkityksellinen silloin, kun perinteisten työkalujen käyttö on vaikeaa pienten ominaisuuksien tai materiaalin kovuuden vuoksi.

Lääketieteelliset komponentit

Tarkkuuslääkinnälliset laitteet voivat vaatia pieniä ominaisuuksia komponenteissa, kuten:

• tukee;
• neulat;
• implanttirakenteet;
• mikrokirurgiset komponentit.

Kaikissa lääketieteellisissä sovelluksissa vaaditaan erillinen materiaalin eheyden, puhtauden ja valmistusvaatimusten validointi.

Energia ja edistyneet teollisuuskomponentit

Mahdollisia sovelluksia voivat olla myös valitut komponentit seuraavissa:

• aurinkoteknologia;
• energiajärjestelmät;
• polttoaineen ruiskutusjärjestelmät;
• tarkkuussuuttimet;
• edistyneet moottorin osat.

Vesisuihkuohjatun lasertyöstön soveltuvuus on aina arvioitava materiaalin, ominaisuuksien mittojen ja vaaditun tuotantonopeuden perusteella.

Keskeiset edut ja tekniset näkökohdat

Vesisuihkulla ohjattu laserteknologia tarjoaa useita potentiaalisia etuja, mutta nämä edut riippuvat prosessien oikeasta integroinnista.

Kapea ura ja tarkkuusominaisuudet

Hienot vesisuihkut ja hallittu laserenergia voivat tukea kapeita leikkausleveyksiä.

Vesiohjattua lasertyöstöä varten toimitetut sovelluskohtaiset tiedot osoittavat uurrosleveyksiksi noin 60–90 μm.

Vähentynyt lämmön kertyminen

Jatkuva veden vuorovaikutus poistaa lämpöä käsittelyalueelta.

Tämä voi vähentää lämpömuokkauksen laajuutta verrattuna perinteisiin laserprosesseihin vastaavissa käyttöolosuhteissa.

Vesiavusteinen roskien poisto

Virtaava suihku auttaa poistamaan työstöjätteitä ja prosessointituotteita.

Tämä voi parantaa uran puhtautta ja vähentää uudelleenvalukappaleen kertymistä optimoiduissa olosuhteissa.

Ei mekaanista työkalun kulumista

Koska laserenergia suorittaa materiaalin poiston, ei ole olemassa tavanomaista poraa tai leikkaustyökalua, joka olisi kosketuksissa työkappaleeseen.

Tämä on erityisen arvokasta seuraaville:

• timantti;
• piikarbidi;
• keramiikka;
• korkean lämpötilan seokset;
• muita vaikeasti työstettäviä materiaaleja.

Laajennettu tehokas käsittelyetäisyys

Vesisuihku ohjaa laseria tavanomaisen vapaan tilan polttoalueen ulkopuolelle.

Edustavat prosessitiedot osoittavat noin 5–50 mm :n työskentelyetäisyydet järjestelmästä ja suihkuolosuhteista riippuen.

Prosessin tehokkuus

Toimitetuissa sovellustiedoissa esitettyjen piikarbidin leikkausvertailujen osalta vesisuihkulla ohjatun laserleikkausnopeudeksi raportoitiin noin 6–10 mm/min , kun taas timanttilangalla tehtävän leikkauksen nopeus oli noin 2–4 mm/min ja lietepohjaisen leikkauksen 1–2 mm/min.

Samassa viitteessä ehdotetaan mahdollista 3–5-kertaista prosessointitehokkuuden parannusta vastaavissa piikarbidi-sovelluksissa.

Nämä luvut ovat materiaali- ja prosessikohtaisia, eikä niitä tule yleistää koskemaan jokaista työkappaletta.

Lasermikrokoneistusjärjestelmän valitseminen

Lasermikrokoneistusjärjestelmän valinnan tulisi alkaa sovelluksesta eikä koneen spesifikaatioista.

Seuraavat tekijät tulisi arvioida.

1. Työkappaleen materiaali

Tunnistaa:

• materiaalin laatu;
• pinnoite;
• komposiittirakenne;
• lämpöominaisuudet;
• hauraus;
• laserin absorptio-ominaisuudet.

2. Ominaisuuksien geometria

Määrittele, vaatiiko prosessi:

• leikkaus;
• poraus;
• mikroreikien poraus;
• uraus;
• uritus;
• ääriviivan työstö.

Reikien osalta määritä:

• halkaisija;
• syvyys;
• kulma;
• kartiovaatimus;
• reikien välinen etäisyys.

3. Materiaalin paksuus ja työstösyvyys

Vaadittu syvyys vaikuttaa suoraan laserin tehoon, prosessointistrategiaan ja sykliaikaan.

Syvät ominaisuudet saattavat vaatia useita käsittelykertoja.

4. Lämpövaurion sietokyky

Ilmailu- ja avaruusteollisuuden metalliseosten, hiilikuituvahvisteisen rappauksen, keraamien ja puolijohdemateriaalien sallittu lämpömuokkaus tulee määritellä selkeästi.

5. Pinnan laatu

Täsmentää:

• vaadittu karheus;
• uudelleenlaaditut rajoitukset;
• reunan laatu;
• purseiden vaatimukset;
• sallitut mikrohalkeamat.

6. Tuotannon läpivirtaus

Laboratoriossa suoritettu lasermikrotyöstöprosessi ei välttämättä sovellu teolliseen tuotantoon.

Sykliaika, automaatio ja toistettavuus on arvioitava.

7. Prosessin tarkastus

Kriittisten komponenttien osalta prosessi voi vaatia:

• optinen mikroskopia;
• SEM-tarkastus;
• poikkileikkausanalyysi;
• mittamittaus;
• metallografinen arviointi.

Oikea lasermikrotyöstöjärjestelmä on siis yhdistelmä lasersäteilylähdettä, vesisuihkun ohjausta, tarkkaa liikettä ja validoitua prosessireseptiä.

Greenstonen vesisuihkuohjatut lasertyöstöjärjestelmät

Greenstone tarjoaa vesisuihkuohjattuja lasertyöstöjärjestelmiä ja sovelluskehityspalveluita tarkkuuslasermikrotyöstöön, lasermikroporaukseen, tarkkuuslaserporaukseen ja edistyneeseen materiaalinkäsittelyyn.

Järjestelmälähestymistapamme integroi laserlähteen, laser-vesikytkentämoduulin, tarkan vesisuihkun ohjauksen, liikealustan ja prosessinohjausjärjestelmän asiakkaan materiaali- ja työstövaatimusten mukaisesti.

Sovelluksia voidaan arvioida edistyneille teknisille materiaaleille, mukaan lukien korkean lämpötilan seokset, titaaniseokset, tekniset keramiikat, piikarbidi, puolijohdemateriaalit, komposiittirakenteet ja valitut timantti- tai superkovat materiaalit.

Sen sijaan, että Greenstone valitsisi vesisuihkulaserleikkauskoneen pelkästään laserin tehon perusteella, se arvioi koko prosessin vaatimukset, mukaan lukien:

• työkappaleen materiaali;
• komponenttien piirustus;
• ominaisuuksien mitat;
• reiän tai uurroskohdan geometria;
• työstösyvyys;
• lämpövaurioiden sietokyky;
• pinnan laatu;
• vaadittu tuotantotehokkuus;
• automaatiovaatimukset.

Uusille sovelluksille prosessitestaus ja näytteen arviointi voidaan suorittaa ennen lopullisen järjestelmäkokoonpanon määrittämistä.

Lähetä Greenstonelle materiaalitietosi, komponenttipiirustuksesi, kohdeominaisuuksien mitat ja työstövaatimukset. Tekninen tiimimme voi arvioida sovelluksen ja suositella sopivaa vesisuihkulla ohjattua laserprosessia ja lasermikrotyöstöjärjestelmän kokoonpanoa.

GREENSTONE GLMJ6000 vesisuihkuohjattu lasermikrotyöstöjärjestelmä

Teollisuussovelluksiin, jotka vaativat erittäin tarkkaa lasermikrotyöstöä, mikroreikien porausta ja monimutkaista kolmiulotteista käsittelyä, GREENSTONE tarjoaa GLMJ6000-vesisuihkuohjattua lasermikrotyöstöjärjestelmää . Järjestelmässä on integroitu erittäin tarkka viisiakselinen CNC-alusta mikrovesisuihkuohjatulla laserteknologialla, mikä mahdollistaa monimutkaisten komponenttien hallitun lasertyöstön suurella mittatarkkuudella, sileillä leikkauspinnoilla ja minimaalisella lämpövaikutuksella.

GLMJ6000 käyttää 532 nm:n pulssitettua Nd:YAG-laseria, joka on kytketty koaksiaalisesti mikronikokoiseen vesisuihkuun. Kun lasersäde on kytketty vesisuihkuun, se ohjautuu työkappaletta kohti täydellisen sisäisen heijastuksen avulla vakaassa vesipatsaassa. Tämä kokoonpano vähentää säteen hajaantumista tehokkaalla työskentelyetäisyydellä, kun taas jatkuvasti virtaava vesi tarjoaa paikallista jäähdytystä ja auttaa sulan materiaalin ja työstöjätteen poistamisessa työstöalueelta.

500/600 baarin korkeapainevesijärjestelmä , jonka vedenpaineen vakaus on ±5 baaria , tukee vakaan mikrovesisuihkun muodostumista 50–120 μm:n suuttimien kautta . Yhdessä 400 W:n keskimääräisen lasertehon ja 300 μm:n säteen halkaisijan kanssa järjestelmä on suunniteltu tarkkuuslaserporaukseen, mikroreikien työstöön, hienoleikkaukseen ja muihin vaativiin lasermikrotyöstöprosesseihin.

Viisiakselinen liikealusta tarjoaa 2000 × 1500 × 1000 mm :n työstöalueen , B-akselin kiertoalueen ±120° ja C-akselin kiertoalueen ±190° . Viiden akselin samanaikainen CNC-ohjaus mahdollistaa laservesileikkaustyöstöpään seurata monimutkaisia ​​kolmiulotteisia geometrioita ja ylläpitää vaadittua työstösuuntaa muotoilluilla pinnoilla.

2000 × 1500 mm:n työpöydän ja 1500 kg: n enimmäiskuormituskapasiteetin ansiosta GLMJ6000 soveltuu sekä tarkkuuskomponenttien että suhteellisen suurten teollisuuskappaleiden työstämiseen. Sen paikannustarkkuus on ±10 μm JIS-standardin mukaan / 20 μm ISO-standardin mukaan , kun taas toistuvien paikannusten tarkkuus on ±8 μm JIS-standardin mukaan / 15 μm ISO-standardin mukaan.

Tyypillisiä sovellusmateriaaleja ja -komponentteja ovat metallit, kovametallit, heijastavat materiaalit, piikarbidi ja muut kovat tai hauraat materiaalit, tarkkuuskellojen komponentit, ilmailu- ja avaruustekniikan sekä lentokonemoottoreiden osat sekä tarkkuusmuotit . Materiaalien ominaisuuksista, komponenttien geometriasta ja työstövaatimuksista riippuen GREENSTONE voi kehittää sovelluskohtaisia ​​vesisuihkuohjattuja laserkäsittelyratkaisuja ja järjestelmäkokoonpanoja.

GLMJ6000 tekniset tiedot

GREENSTONE voi tarjota vesisuihkuohjattua laserprosessien kehittämistä, sovellustestausta, näytteiden työstöä ja räätälöityjä laiteratkaisuja työkappaleen materiaalin, geometrian, mikroreikien tai leikkausvaatimusten ja kohteen työstölaadun mukaan. Asiakkaat, joilla on erityisiä lasermikrotyöstö-, tarkkuuslaserporaus-, lasermikroreikien poraus- tai vesisuihkuohjattua lasertyöstöä koskevia vaatimuksia, voivat ottaa yhteyttä tekniseen tiimiimme sovellusarviointia varten.