Bruk av laserstråle i materialbearbeiding
Laserstrålebearbeiding er en kraftig teknikk som brukes i en rekke applikasjoner innen materialbearbeiding, inkludert skjæring, sveising, boring og overflatebehandling. I denne artikkelen vil vi utforske de ulike måtene laserstråler kan brukes på i materialbearbeiding, og diskutere fordelene og begrensningene ved hver tilnærming. Vi vil også se nærmere på faktorene som påvirker effektiviteten av laserstrålebearbeiding, som lasereffekt, stråleprofil, bølgelengde og pulslengde.
I tillegg vil vi diskutere betydningen av profilering av laserstrålen i materialbearbeiding, og hvordan nøyaktig karakterisering av laserstråler kan bidra til å optimalisere prosessparametere og forbedre kvaliteten og effektiviteten i materialbearbeidingsprosesser. Enten du er ingeniør, forsker, laserprodusent eller bare interessert i laserens verden, er forståelsen av bruken av laserstråler i materialbearbeiding avgjørende for å oppnå optimale resultater og utnytte det fulle potensialet i laserteknologi.
Materialbearbeidingsapplikasjoner som bruker laserstråler
Laserstråler brukes i stor grad i materialbearbeiding på grunn av deres evne til å levere høy energi, høy effekt og svært fokuserte lysstråler til et bestemt område. I tillegg er det relativt enkelt å styre mengden energi som avsettes i samhandlingsområdet på målet for å endre mengden materiale som fjernes eller tilpasse seg tykkelsen på metallet som sveises. Strålens posisjon kan også enkelt endres under prosessen. Sammenlignet med CNC-maskiner bruker ikke laseren noe verktøy som fysisk fjerner materialet. I stedet benyttes en lysstråle, og lys slites naturligvis ikke slik mekaniske verktøy gjør. På grunn av dette kan betydelige kostnader spares på verktøy.
Innen medisinske applikasjoner finnes det også en rekke fordeler. Bruk av laserstråle som for eksempel kutter vev, krever ingen fysisk kontakt mellom det medisinske utstyret og pasienten, noe som gjør utstyret svært aseptisk.
Noen eksempler på materialbearbeidingsapplikasjoner som bruker laserstråler inkluderer:
Skjæring: Lasere kan brukes til å skjære et bredt spekter av materialer, fra metaller og plast til keramikk, glass eller til og med diamanter. Den høyenergiske laserstrålen smelter eller fordamper materialet og skaper et rent og presist snitt med minimal varmepåvirket sone.
Sveising: Lasere kan brukes til å sveise et bredt spekter av materialer, inkludert metaller, plast og keramikk. Laserstrålen smelter materialet og skaper en sveis som er sterk og har minimal deformasjon.
Boring: Lasere kan brukes til å bore små, presise hull i et bredt spekter av materialer, inkludert metaller, plast og keramikk. Laserstrålen smelter eller fordamper materialet og skaper et rent og presist hull.
Overflatemodifisering: Lasere kan brukes til å endre overflateegenskapene til materialer, som overflateherding, overflaterensing og overflatestrukturering. Laserstrålen kan brukes til å varme opp overflaten og skape endringer i overflatens mikro- eller nanostruktur.
3D-printing: Lasere kan brukes til å smelte pulver eller plast for å skape tredimensjonale strukturer. Laserstrålen brukes til å smelte eller sintere materialet lag for lag for å danne den endelige 3D-strukturen. Denne prosessen kalles ofte sintring.
Merking og gravering: Lasere kan brukes til å merke eller gravere et bredt spekter av materialer, inkludert metaller, plast og keramikk. Laserstrålen kan brukes til å fjerne materiale eller endre overflatefargen, og skape en permanent merking eller gravering.
Overflaterensing: Ulike overflater kan rengjøres ved hjelp av lasere. For eksempel kan historiske gjenstander restaureres ved bruk av pulserte lasere, slik det ble gjort av det vitenskapelige teamet ved Institutt for optoelektronikk ved Militært teknologisk universitet på Wawel-slottet i Kraków.
Valg av laser og spesifikk bearbeidingsmetode vil avhenge av materialet og ønsket sluttresultat:
Nd:YAG pulserte lasere brukes til skjæring av diamanter og restaurering av kunst.
CO₂ CW-lasere brukes ofte til skjæring av plast.
Fiberbaserte CW-lasere som opererer rundt bølgelengden 1100 nm brukes ofte til skjæring av metaller.
Nd:YAG brukes også i merkingsapplikasjoner.
Diffraksjonsbegrenset fokalpunkt – hva betyr det?
Et diffraksjonsbegrenset fokalpunkt refererer til det minste punktet som kan dannes av en laserstråle ved bruk av et linse- eller speilsystem. Størrelsen på dette punktet bestemmes av lysdiffraksjon, som er et grunnleggende fysisk fenomen som oppstår når lys passerer gjennom en åpning eller reflekteres av et speil.
Størrelsen på det diffraksjonsbegrensede fokalpunktet kan beskrives ved Airy-skiven, som er mønsteret som dannes ved superposisjon av diffraksjonsmønstrene produsert av de individuelle punktene i åpningen til linsen eller speilet. Størrelsen på Airy-skiven bestemmes av lysets bølgelengde og den numeriske aperturen (NA) til linse- eller speilsystemet. Jo kortere bølgelengde og jo større NA, desto mindre blir det diffraksjonsbegrensede fokalpunktet.
Det er viktig å merke seg at det diffraksjonsbegrensede fokalpunktet er det minste punktet som kan oppnås ved bruk av et linse- eller speilsystem, men det finnes andre faktorer som kan påvirke størrelsen på fokalpunktet i praksis. For eksempel kan aberrasjoner i linse- eller speilsystemet, eller tilstedeværelse av smuss eller støv på optikken, føre til at fokalpunktet blir større enn diffraksjonsgrensen. I tillegg kan termiske effekter også føre til at fokalpunktets størrelse endres over tid.
Et diffraksjonsbegrenset fokalpunkt er viktig i mange applikasjoner som krever høyoppløselig avbildning, som mikroskopi, eller høypresisjons materialbearbeiding. I disse applikasjonene kan et lite fokalpunkt gi høy intensitet i fokuspunktet, noe som kan øke oppløsningen og presisjonen i prosessen.
Formel for diffraksjonsbegrenset fokalpunkt
Tenk deg at den kollimerte laserstrålen har en 1/e²-diameter D. Den passerer gjennom en linse med brennvidde f og har bølgelengde lambda. I dette tilfellet er den minste mulige størrelsen på fokalpunktet gitt ved formelen:
d = 2,44 · lambda · f / D
Dette kalles også størrelsen på Airy-skiven.
Dette er vist i grafikken nedenfor.
Vær oppmerksom på at størrelsen på det diffraksjonsbegrensede fokalpunktet også kan defineres som:
d = 1,22 · lambda / NA
NA er en parameter som definerer det optiske systemet som lyset passerer gjennom, og kalles numerisk apertur. I svært avanserte optiske systemer er det mulig å justere NA til et nivå der fokalpunktet effektivt blir mindre enn diffraksjonsgrensen for et standardoppsett. Dette er en metode som brukes i litografisystemer som benyttes til å produsere mikroprosessorer. I disse oppsettene brukes excimerlasere til å produsere strukturer som er mye mindre enn deres bølgelengde.
Hvordan stråleimperfeksjoner påvirker fokalpunktet og prosessparametere
Stråleimperfeksjoner kan ha betydelig innvirkning på størrelsen og kvaliteten på fokalpunktet, samt på prosessparametrene i laserbasert materialbearbeiding. Noen eksempler på hvordan stråleimperfeksjoner kan påvirke fokalpunktet og prosessparametere inkluderer:
Stråledivergens: En økning i stråledivergens vil føre til at fokalpunktet blir større og mindre intenst. Dette kan resultere i redusert oppløsning og presisjon i materialbearbeidingen. Dersom ablasjon er hovedmekanismen, kan også effektiviteten reduseres, for eksempel i merkingsapplikasjoner.
Strålepekerstabilitet: Manglende stabilitet i stråleretningen kan føre til at fokalpunktet beveger seg, noe som gjør det vanskelig å opprettholde et konstant fokus på materialet. Dette kan føre til variasjoner i prosessparametrene og redusert presisjon.
Strålemoduskvalitet: En stråle med lav moduskvalitet, for eksempel en høyereordens tverrmodus, kan føre til et ujevnt fokalpunkt med ikke-uniform intensitetsfordeling. Dette kan føre til variasjoner i prosessparametrene og redusert presisjon.
Romlig og tidsmessig koherens: Lav koherens kan føre til at fokalpunktet blir større og mindre intenst, og kan også påvirke prosessens stabilitet. Det kan også påvirke laserens evne til å fokusere strålen til et lite punkt og evnen til å skape interferensmønstre.
Effektfordeling: En ikke-uniform effektfordeling kan føre til et ujevnt fokalpunkt med ikke-uniform intensitetsfordeling. Dette kan føre til variasjoner i prosessparametrene og redusert presisjon.
Spektrale egenskaper: Spektrale egenskaper, som et bredt spektrum, kan føre til at fokalpunktet blir større og mindre intenst, og kan også påvirke stabiliteten.
Aberrasjoner i optiske systemer: Ufullkommenheter i de optiske systemene som brukes til å fokusere strålen vil øke størrelsen på fokus og spre effekten over et større område. Dette fenomenet kan føre til redusert prosesspresisjon eller tap av bildeoppløsning.
Som et eksempel viser dette bildet kromatisk aberrasjon:
Og dette bildet viser sfærisk aberrasjon, som er svært vanlig i oppsett der laserstrålen fokuseres med kun én (spesielt sfærisk) linse:
Avslutningsvis er det alltid slik at laserstrålekvaliteten er kritisk sett fra prosessens perspektiv der den brukes. Den må overvåkes, og vedlikeholdsarbeid bør planlegges for å holde den så god som mulig. Et godt eksempel er bruk av femtosekundlasere i den medisinske prosedyren for fjerning av grå stær. I en slik operasjon kuttes netthinnen i det menneskelige øyet med en femtosekundlaser for å muliggjøre fjerning av den naturlige linsen. Størrelsen på fokalpunktet har direkte innvirkning på størrelsen på arret som dannes etter inngrepet. Dette arret sprer senere lys og forårsaker bivirkninger. Sammenhengen er som følger: jo større fokalpunkt, desto større risiko for bivirkninger. Dette eksempelet viser svært tydelig hvor viktig det er å ta vare på laserstrålekvaliteten.
Hvorfor er overvåking av laserstrålen avgjørende i kvalitetsstyring av prosesser?
Overvåking av laserstrålen er avgjørende i kvalitetsstyring av prosesser fordi den muliggjør sanntidsanalyse av laserstrålens egenskaper, som stråleprofil, effekt og energi, og sikrer at laserprosessen fungerer optimalt og innenfor spesifiserte parametere. Ved kontinuerlig overvåking av laserstrålen kan operatører oppdage potensielle problemer tidlig, noe som gir rask korrigerende handling og minimerer risikoen for produktfeil eller driftsstans. Videre muliggjør overvåking av laserstrålen nøyaktig karakterisering av laserstrålen, noe som er avgjørende for prosessoptimalisering og kontroll. Til syvende og sist er overvåking av laserstrålen essensiell for å sikre produkter av høy kvalitet og optimalisere produksjonsprosesser i bransjer som medisin, luftfart og bilindustri. Huaris AI Cloud er prediktivt vedlikehold for lasersystemer.
Noen av grunnene til at overvåking av laserstrålen er essensiell inkluderer:
Prosesskontroll: Ved kontinuerlig overvåking av laserstråleparametere som effekt, strålebredde og retning, er det mulig å oppdage og korrigere eventuelle variasjoner eller endringer som kan påvirke prosesskvaliteten. Dette bidrar til å sikre at prosessen er konsistent og produserer deler med ønsket kvalitet.
Sikkerhet: Ved å overvåke laserstrålen er det mulig å oppdage uventede endringer i strålen som kan indikere et problem med laseren eller optikken. Dette kan bidra til å forhindre skade på utstyr og potensielle sikkerhetsfarer.
Effektivitet: Ved kontinuerlig overvåking av laserstrålen er det mulig å oppdage variasjoner eller endringer som kan påvirke prosessens effektivitet. For eksempel kan en reduksjon i stråleeffekten føre til lavere skjærehastighet, eller forbedret strålepekerstabilitet kan resultere i økt skjærepresisjon.
Prediktivt/forebyggende vedlikehold: Ved å overvåke laserstrålen over tid er det mulig å oppdage endringer eller variasjoner som kan indikere et problem med laseren eller optikken. Dette kan bidra til å identifisere potensielle problemer før de fører til feil eller en betydelig reduksjon i prosesskvaliteten.
Sporbarhet: Ved å overvåke laserstrålen er det mulig å samle inn data om prosessen og stråleparametrene, som kan brukes til å spore tilbake potensielle endringer dersom kvalitetskontrollen må undersøke årsakene til en prosessfeil.
En rekke prosessparametere kan påvirkes dersom laserstrålen ikke oppfyller kvalitetskravene. Huaris Cloud er den første løsningen av sitt slag som overvåker stråleparametere over lang tid og støtter lasereieren i automatisk deteksjon av unormal laseroppførsel.
Nyttige Huaris-lenker
Huaris-systemet er et utmerket eksempel på de nyeste fremskrittene innen profilering av laserstråler ved bruk av kunstig intelligens. Se våre produkter og programvare:
Recent posts about laser beam profiler
