Användning av laserstråle i materialbearbetning
Laserstrålebearbetning är en kraftfull teknik som används i en mängd olika tillämpningar inom materialbearbetning, inklusive skärning, svetsning, borrning och ytmodifiering. I denna artikel kommer vi att utforska de olika sätt på vilka laserstrålar kan användas för materialbearbetning och diskutera fördelarna och begränsningarna med varje metod. Vi kommer även att granska de faktorer som påverkar effektiviteten hos laserstrålebearbetning, såsom lasereffekt, strålprofil, våglängd och pulslängd.
Dessutom kommer vi att diskutera vikten av laserstråleprofilering inom materialbearbetning och hur noggrann karakterisering av laserstrålar kan bidra till att optimera processparametrar samt förbättra kvaliteten och effektiviteten i materialbearbetningsprocesser. Oavsett om du är ingenjör, forskare, lasertillverkare eller helt enkelt intresserad av laserteknikens värld är förståelsen för användningen av laserstrålar i materialbearbetning avgörande för att uppnå optimala resultat och frigöra laserteknikens fulla potential.
Materialbearbetningsapplikationer som använder laserstrålar
Laserstrålar används i stor utsträckning inom materialbearbetning tack vare deras förmåga att leverera hög energi, hög effekt och starkt fokuserade ljusstrålar till en specifik plats. Dessutom är det relativt enkelt att styra mängden energi som deponeras i interaktionsområdet på målet för att ändra mängden borttaget material eller anpassa sig till metallens tjocklek vid svetsning. Även strålens position kan enkelt ändras under processen. Jämfört med CNC-maskiner använder lasern inga verktyg som mekaniskt avlägsnar material. I stället används en ljusstråle, och ljus slits naturligtvis inte på samma sätt som mekaniska verktyg. Tack vare detta kan betydande kostnader för verktyg sparas.
Även inom medicinska tillämpningar finns det många fördelar. Användning av en laserstråle som till exempel skär vävnad kräver ingen fysisk kontakt mellan den medicinska utrustningen och patienten, vilket gör utrustningen mycket aseptisk.
Några exempel på materialbearbetningsapplikationer som använder laserstrålar är:
Skärning: Lasrar kan användas för att skära ett brett spektrum av material, från metaller och plaster till keramer, glas eller till och med diamanter. Den högenergetiska laserstrålen smälter eller förångar materialet och skapar ett rent, precist snitt med minimal värmepåverkad zon.
Svetsning: Lasrar kan användas för att svetsa ett brett spektrum av material, inklusive metaller, plaster och keramer. Laserstrålen smälter materialet och skapar en svets som är stark och har minimal deformation.
Borrning: Lasrar kan användas för att borra små, precisa hål i ett brett spektrum av material, inklusive metaller, plaster och keramer. Laserstrålen smälter eller förångar materialet och skapar ett rent, exakt hål.
Ytmodifiering: Lasrar kan användas för att förändra ytegenskaperna hos material, såsom ythärdning, ytrengöring och yttexturering. Laserstrålen kan användas för att värma ytan och skapa förändringar i ytans mikro- eller nanostruktur.
3D-utskrift: Lasrar kan användas för att smälta samman pulver eller smälta plaster för att skapa tredimensionella strukturer. Laserstrålen används för att smälta eller sammanfoga materialet lager för lager för att skapa den slutliga 3D-strukturen. Denna process kallas ofta sintring.
Märkning och gravering: Lasrar kan användas för att märka eller gravera ett brett spektrum av material, inklusive metaller, plaster och keramer. Laserstrålen kan användas för att avlägsna material eller ändra ytans färg och därmed skapa en permanent märkning eller gravering.
Ytrengöring: Olika ytor kan rengöras med hjälp av lasrar. Till exempel kan historiska artefakter renoveras med pulserande lasrar, vilket gjordes av forskargruppen vid Institutet för Optoelektronik vid Militärtekniska universitetet på Wawel-slottet i Kraków.
Valet av laser och den specifika bearbetningsmetoden beror på materialet och det önskade slutresultatet:
Nd:YAG-pulslasrar används för diamantskärning och restaurering av konstverk.
CO₂-CW-lasrar används ofta för att skära plaster.
Fiber-CW-lasrar som arbetar vid cirka 1100 nm våglängd används ofta för att skära metaller.
Nd:YAG används även i märkningsapplikationer.
Diffraktionsbegränsad fokalpunkt – vad betyder det?
En diffraktionsbegränsad fokalpunkt avser den minsta punkt som kan bildas av en laserstråle med hjälp av ett lins- eller spegelsystem. Storleken på denna punkt bestäms av ljusets diffraktion, vilket är ett grundläggande fysikaliskt fenomen som uppstår när ljus passerar genom en öppning eller reflekteras av en spegel.
Storleken på den diffraktionsbegränsade fokalpunkten kan beskrivas med Airy-skivan, som är det mönster som bildas genom superposition av diffraktionsmönster från de enskilda punkterna i linsens eller spegelns öppning. Airy-skivans storlek bestäms av ljusets våglängd och den numeriska aperturen (NA) hos lins- eller spegelsystemet. Ju kortare våglängd och ju större NA, desto mindre blir den diffraktionsbegränsade fokalpunkten.
Det är viktigt att notera att den diffraktionsbegränsade fokalpunkten är den minsta punkt som kan uppnås med ett lins- eller spegelsystem, men i praktiken finns det andra faktorer som kan påverka fokalpunktens storlek. Till exempel kan aberrationer i lins- eller spegelsystemet eller förekomst av smuts eller damm på optiken göra fokalpunkten större än diffraktionsgränsen. Dessutom kan termiska effekter också göra att fokalpunktens storlek förändras över tid.
En diffraktionsbegränsad fokalpunkt är viktig i många tillämpningar som kräver högupplöst avbildning, såsom mikroskopi, eller högprecision i materialbearbetning. I dessa tillämpningar kan en liten fokalpunkt ge hög intensitet i fokus, vilket kan öka upplösningen och precisionen i processen.
Formel för diffraktionsbegränsad fokalpunkt
Föreställ dig att din kollimerade laserstråle har en 1/e²-diameter D. Den passerar en lins med brännvidden f och har våglängden lambda. I detta fall ges den minsta möjliga storleken på fokalpunkten av formeln:
d = 2,44lambdaf/D
Detta kallas även Airy-skivans storlek.
Detta visas i grafiken nedan
Observera att storleken på den diffraktionsbegränsade fokalpunkten även kan definieras som:
d = 1,22*lambda/NA.
NA är en parameter som definierar ett optiskt system som ljuset passerar igenom och kallas numerisk apertur. I mycket avancerade optiska system är det möjligt att justera NA till en nivå där fokalpunkten effektivt blir mindre än diffraktionsgränsen för en vanlig uppställning. Detta är en metod som används i litografisystem som används för att tillverka mikroprocessorer. I dessa system används excimerlasrar för att skapa strukturer som är mycket mindre än deras våglängd.
Hur påverkar strålimperfektioner fokalpunkten och processparametrarna?
Strålimperfektioner kan ha en betydande inverkan på fokalpunktens storlek och kvalitet samt på processparametrarna vid laserbaserad materialbearbetning. Några exempel på hur strålimperfektioner kan påverka fokalpunkten och processparametrarna är:
Stråldivergens: En ökning av stråldivergensen gör fokalpunkten större och mindre intensiv. Detta kan leda till minskad upplösning och precision i materialbearbetningen. Om ablation är den huvudsakliga mekanismen kan även dess effektivitet minska (t.ex. vid märkningsapplikationer).
Strålriktningsstabilitet: Bristande stabilitet i strålens riktning kan göra att fokalpunkten rör sig, vilket gör det svårt att bibehålla ett konsekvent fokus på materialet. Detta kan leda till variationer i processparametrarna och minskad precision.
Strålmodkvalitet: En strålmod av låg kvalitet, till exempel en högordnings tvärmod, kan göra fokalpunkten ojämn och ge en icke-uniform intensitetsfördelning. Detta kan leda till variationer i processparametrarna och minskad precision.
Rumslig och temporal koherens: Låg koherens kan göra fokalpunkten större och mindre intensiv samt påverka processens stabilitet. Den kan även påverka laserstrålens förmåga att fokuseras till en liten punkt och möjligheten att skapa interferensmönster.
Effektfördelning: En icke-uniform effektfördelning kan göra fokalpunkten ojämn och ge en icke-uniform intensitetsfördelning. Detta kan leda till variationer i processparametrarna och minskad precision.
Spektrala egenskaper: Spektrala egenskaper såsom ett brett spektrum kan göra fokalpunkten större och mindre intensiv samt påverka stabiliteten.
Aberrationer i optiska system: Imperfektioner i de optiska system som används för att fokusera strålen ökar fokalpunktens storlek och sprider effekten över ett större område. Detta kan leda till minskad processprecision eller förlust av bildupplösning.
Som exempel visar denna bild kromatisk aberration:
Och denna bild visar sfärisk aberration, vilket är mycket vanligt i uppställningar där laserstrålen fokuseras med endast en (särskilt sfärisk) lins:
Sammanfattningsvis är det alltid sant att laserstrålens kvalitet är kritisk ur perspektivet av den process där den används. Den måste övervakas och underhållsåtgärder bör planeras för att hålla den så bra som möjligt. Ett bra exempel är användningen av femtosekundlasrar vid medicinska ingrepp för borttagning av grå starr. Vid ett sådant ingrepp skärs den mänskliga ögats lins med en femtosekundlaser för att möjliggöra borttagning av den naturliga linsen. Storleken på fokalpunkten har en direkt inverkan på storleken på det ärr som bildas efter ingreppet. Detta ärr sprider senare ljus och orsakar biverkningar. Sambandet är tydligt: ju större fokalpunkt, desto större risk för biverkningar. Detta exempel visar mycket tydligt hur viktigt det är att ta hand om laserstrålens kvalitet.
Varför är laserstråleövervakning avgörande för kvalitetsstyrning av processer?
Laserstråleövervakning är avgörande för kvalitetsstyrning av processer eftersom den möjliggör realtidsanalys av laserstrålens egenskaper, såsom strålprofil, effekt och energi, och säkerställer att laserprocessen fungerar optimalt och inom specificerade parametrar. Genom kontinuerlig övervakning av laserstrålen kan operatörer upptäcka potentiella problem i ett tidigt skede, vilket möjliggör snabba korrigerande åtgärder och minimerar risken för produktfel eller driftstopp. Dessutom möjliggör laserstråleövervakning noggrann karakterisering av laserstrålen, vilket är avgörande för processoptimering och styrning. I slutändan är laserstråleövervakning avgörande för att säkerställa hög produktkvalitet och optimera tillverkningsprocesser inom branscher som medicin, flygindustri och fordonsindustri. Huaris AI Cloud är prediktivt underhåll för lasersystem.
Några av anledningarna till varför laserstråleövervakning är avgörande inkluderar:
Processtyrning: Genom att kontinuerligt övervaka laserstrålens parametrar, såsom effekt, strålbredd och riktning, är det möjligt att upptäcka och korrigera variationer eller förändringar som kan påverka processkvaliteten. Detta bidrar till att säkerställa att processen är konsekvent och producerar detaljer med önskad kvalitet.
Säkerhet: Genom övervakning av laserstrålen är det möjligt att upptäcka oväntade förändringar som kan indikera problem med lasern eller dess optik. Detta kan bidra till att förhindra skador på utrustningen och potentiella säkerhetsrisker.
Effektivitet: Genom kontinuerlig övervakning av laserstrålen kan variationer eller förändringar som påverkar processeffektiviteten upptäckas. Till exempel kan en minskning av stråleffekten leda till minskad skärhastighet, eller förbättrad strålriktningsstabilitet kan leda till ökad skärprecision.
Prediktivt/förebyggande underhåll: Genom att övervaka laserstrålen över tid är det möjligt att upptäcka förändringar eller variationer som kan indikera problem med lasern eller dess optik. Detta gör det möjligt att identifiera potentiella problem innan de leder till haveri eller en betydande försämring av processkvaliteten.
Spårbarhet: Genom övervakning av laserstrålen kan data om processen och strålparametrarna samlas in, vilket kan användas för att spåra orsakerna om kvalitetskontrollen behöver undersöka varför processen inte fungerade korrekt.
Många processparametrar kan påverkas om laserstrålen inte uppfyller kvalitetskraven. Huaris Cloud är den första lösningen i sitt slag för att övervaka strålparametrar över en lång tidsperiod och stödjer laserägaren i automatisk detektering av laserfelbeteende.
Användbara Huaris-länkar
Huaris-systemet är ett utmärkt exempel på de senaste framstegen inom laserstråleprofilering med användning av artificiell intelligens. Se våra produkter och programvara:
Recent posts about laser beam profiler
